具有二维电子气通道和图案化衬底的新型GaN纳米柱垂直FET中Baliga性能指标的增强

摘要

本文提出了一种新型增强模垂直GaN场效应晶体管(FET)，该器件结合了二维电子气(2DEG)通道和衬底图案(SP)。通过调整SP的宽度和高度，器件在保持高击穿电压(BV)的同时实现了更低的导通电阻(R_ON)。经实验校准的ATLAS仿真表明，700 nm长、4.6 µm宽的SP使Baliga性能指标(BFOM = BV²/R_ON)较无图案对应器件提升了六倍，且不牺牲器件面积。纳米柱和SP的微观占地面积允许高密度集成，使该架构成为未来功率电子学的有力候选者。

背景

ZnO、In₂O₃、SiC和GaN等宽禁带半导体因其高击穿电压和优异的热稳定性而备受关注。特别是横向AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)是替代功率和射频应用中Si器件的领先候选者。为实现简化驱动电路的增强模HEMT，已探索了多种策略——包括p型帽层、氟离子注入、薄势垒、双通道设计和场耦合栅极——但这些方法面临阈值电压不均匀、BFOM受限和芯片面积过大等挑战。漂移区长度与BV之间的权衡进一步阻碍了器件缩放。

垂直GaN FET(VFET)通过利用完整的垂直通道并提供更容易的增强模操作，缓解了许多此类问题。近期研究通过各种结构创新致力于提升BV同时降低R_ON，但缺乏高迁移率2DEG往往导致更高电阻，限制了BFOM优化。

本工作引入了一种同时结合2DEG通道和图案化衬底的垂直GaN FET。这种组合在实现低R_ON与高BV的平衡的同时，纳米级柱体和SP允许器件高密度集成。

方法

器件在标准Al_0.23GaN/GaN外延片上制备，重掺n型衬底作为漏极。层厚度为：SiN (105 nm)、AlGaN (20 nm) 和 GaN (5 µm)。2×10¹⁶ cm⁻³ n-GaN缓冲层和 2×10¹⁷ cm⁻³ p-GaN帽层分别构成缓冲层和复合通道。薄AlGaN层诱导2DEG，SP——通常为Al₂O₃——在衬底上生长。

示意图 a 展示3D柱状结构，b 显示带标注尺寸的拟议SP-VFET截面图。

制备流程简明：(1) 导电衬底和SP层外延生长；(2) SP图案选择性刻蚀；(3) n-GaN缓冲层沉积与抛光；(4) AlGaN势垒层和p-GaN帽层沉积；(5) 电极形成与钝化。

ATLAS仿真针对带p-GaN帽层的增强模HEMT实验数据校准。器件参数列于表1，SP/GaN界面陷阱特性源自电容测量。极化电荷通过二次拟合法计算。

物理机制

导通态下，SP-VFET因2DEG呈现高导电路径，而狭窄垂直通道限制总导电性。AlGaN/GaN界面的2DEG维持横向电流流动，部分补偿垂直电阻。无2DEG通道的器件电阻显著更高。

正向电流流动：a 无SP器件，b 短SP的SP-VFET，c 长SP的SP-VFET。

仿真显示p-GaN帽层长度对峰值电场影响微乎其微，直至超过700 nm时帽层覆盖整个表面。场峰始终位于p-GaN拐角，与长度无关，但较长帽层使场分布变平坦，因2DEG耗尽而略微增加电阻。

不同p-GaN长度下AlGaN/GaN界面的电场分布。

解析导通电阻模型(图4)显示2DEG通道主导电导；仅当SP长度增加时垂直路径电阻才显著。导通电阻随SP长度双曲线增长，但在SP高度低于4.7 µm时基本不受影响，证实了2DEG的韧性。

导通电阻网络：a 无SP，b 有SP。

截止态下，SP的负电荷界面陷阱重新分布p-GaN帽层下的电场，降低峰值场并扩展耗尽区。这种重分布在2DEG补偿下仅适度增加R_ON的同时提升击穿电压。因此BFOM随SP尺寸波动。

电场与耗尽区分布：a 无SP，b 短SP的SP-VFET，c 长SP的SP-VFET。

p-GaN/AlGaN (a) 和 GaN/SP (b) 界面的场分布。

结果与讨论

无SP器件的传输和输出特性(图7)显示对p-GaN帽层长度依赖性可忽略，证实了2DEG在维持稳定电导中的作用。最小帽层长度为400 nm以避免栅极附近过度场聚集。

不同p-GaN长度下无SP器件的传输(a)和输出(b)曲线。

SP-VFET(图8)的导通电阻在SP高度低于4.7 µm时保持恒定，但随SP长度增加而上升，符合垂直通道变窄预期。2DEG通道基本不受中等SP高度影响；仅当SP邻近2DEG时，负电荷才显著耗尽它。

不同SP宽度(a)和长度(b)与无SP器件的输出曲线对比。

电流密度图(图9)证实SP收窄垂直通道，而横向电流主要由2DEG承载。总电流密度随SP高度仅轻微变化。

电流密度：(a) 无SP器件，(b)–(d) 不同SP尺寸的SP-VFET。

提取的R_ON和BV(图10a)显示电阻随SP长度双曲线增长，而BV随SP长度增加至700 nm时上升。BFOM在700 nm SP长度和4.6 µm高度时峰值达125 MW cm⁻²，较无图案器件提升六倍。

(a) 提取的R_ON和BV；(b) BFOM随SP长度和宽度的变化。

BV增强源于SP重新分布电场的能力，缓解了p-GaN帽层下的峰值场聚集。负电荷界面陷阱产生额外电场抵消耗尽诱导场，从而扩展耗尽区并减少漏电路径。仿真电场图(图12)和截线分析(图13)展示了增加SP长度如何使场变平坦并聚集于具有更高临界场的SP边缘。

300 V漏极下栅极周围电场：(a) 无SP，(b)–(d) SP-VFET。

SP边缘截线的水平(a)和垂直(b)电场分布。

结论

本研究展示了一种利用2DEG通道和纳米级衬底图案显著提升BFOM的新型GaN垂直FET。通过缓解p-GaN帽层下的电场峰值并在SP处形成新的高场区，器件在700 nm SP长度和4.6 µm高度下实现BFOM六倍增强。紧凑的柱状设计和最小SP占地面积使该架构高度适合高密度功率集成应用。

缩略语

n_A

p型GaN掺杂浓度

n_D

n型GaN掺杂浓度

2DEG

二维电子气

Al_0.23GaN

氮化铝镓(23% Al)

Al₂O₃

氧化铝

BFOM

Baliga性能指标

SP

衬底图案

E-field

电场

FET

场效应晶体管

GaN

氮化镓

HEMT

高电子迁移率晶体管

H_G

栅极高度

H_W

衬底图案高度

L_D

器件长度

L_G

栅极长度

L_P

p-GaN帽层长度

L_W

衬底图案长度

SiN

氮化硅

SP-VFET

带衬底图案的垂直场效应晶体管

W_D

器件深度

σ_p

极化电荷