（原标题：垂直氮化镓，华为重磅发布）
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近日，华为和山东大学的作者发布了一篇题为《1200 V Fully-Vertical GaN-on-Si Power MOSFET》的我论文。在文中，他们介绍一种 1200 V 全垂直 GaN-on-Si 沟槽 MOSFET，采用氟注入终端（FIT-MOS）。FIT （fluorine implanted termination）区由于带有固定的负电荷而表现为高电阻，可自然地将离散器件隔离，取代了传统的台面刻蚀终端（MET），消除了台面边缘的电场拥挤效应。
结果显示，FIT-MOS 的击穿电压从 MET-MOS 的 567 V 提升至 1277 V。此外，所制备的 FIT-MOS 具有 3.3 V 的阈值电压 (Vth)、约 10^7 的开关比 (ON/OFF ratio)，以及 5.6 mΩ·cm2 的比导通电阻 (Ron,sp)。这些结果表明，GaN-on-Si 垂直晶体管在 kV 级应用中具有巨大的性价比潜力。
简介
氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）等宽禁带半导体，在开发高效、高密度电力系统方面具有巨大潜力。目前，GaN 基晶体管已广泛应用于 100 V 至 650 V 的电源，而 SiC 基晶体管则主要在 1200 V 以上的高压领域占据商业主导地位。
然而，对于 650 V 至 1200 V 这一对成本和性能竞争都异常激烈的市场区间，GaN 和 SiC 谁将成为最佳选择，仍未可知。尽管 SiC 基晶体管的发展取得了显著进展，但其相对高昂的衬底成本，从经济角度限制了它们在这一电压范围内的竞争力。
幸运的是，在低成本、大尺寸硅（Si）衬底上外延生长 GaN 的异质外延技术取得了突破，这为制造高性价比、高性能的 GaN 晶体管带来了巨大希望。
得益于 AlGaN/GaN 异质界面处产生的高密度二维电子气（2DEG），**GaN 基横向高电子迁移率晶体管（HEMTs）**在需要高频率和低电压的应用中具有显著优势。然而，由于横向架构固有的可扩展性限制，将 GaN-on-Si 横向 HEMT 的击穿电压扩展到 650 V 以上仍然是一个挑战。
相比之下，垂直拓扑结构具有设计灵活性，垂直 GaN 功率晶体管通过增加漂移层的厚度而不增加器件的面积，在千伏（kV）级阻断能力方面展现出显著优势。近年来，已成功开发出多款 1200 V 垂直 P-i-N 二极管，并展示了优异的阻断和雪崩能力，这验证了垂直 GaN-on-Si 拓扑在高压和高功率应用中的可行性。
Liu 等人首次报道了准垂直 GaN-on-Si 沟槽 MOSFET，采用 4 μm 厚的 GaN 漂移层，其硬击穿电压达 645 V。随后研究聚焦于优化 p-GaN 通道区与栅介质层，以改善准垂直 GaN-on-Si 沟槽 MOSFET 的导通性能和可靠性。为消除准垂直结构中存在的电流拥挤效应，Khadar 等人展示了首个全垂直 GaN-on-Si 沟槽 MOSFET，其漏极焊盘沉积于通过选择性去除缓冲层和硅衬底后暴露的背面 n+-GaN 层上。Debaleen 等人报道了一种带有导电缓冲层的全垂直 GaN-on-Si 晶体管，这种设计消除了复杂的衬底工艺并简化了制造流程。然而，由于缺乏有效的终端结构和高质量的漂移层，这些报道的垂直 GaN-on-Si MOSFETs 的击穿电压（BV）仍低于 650 V，这对于千伏（kV）级别的电力系统应用来说是不足的。
本文展示了一种 1200 V 全垂直 GaN-on-Si 沟槽 MOSFET，采用氟离子注入终端（FIT）。传统的台面刻蚀终端（MET）被电阻型 FIT 结构取代，该结构能够有效隔离离散器件，并缓解终端区域的电场拥挤效应。因此，FIT-MOS 的击穿电压从 MET-MOS 的 567 V 提升至 1277 V。此外，FIT-MOS 表现出增强型工作模式，具有 3.3 V 的阈值电压 (Vth)、约 107 的开关比 (ON/OFF ratio)、低的比导通电阻 (Ron,sp) 为 5.6 mΩ·cm2，以及 8 kA/cm2 的高导通电流密度。这些结果为基于 GaN-on-Si 垂直晶体管的 kV 级电力电子系统的发展奠定了基础。
外延生长与器件制造
图 1(a)-(b) 展示了全垂直 GaN-on-Si FIT-MOS 的结构示意图和沟槽栅区域的截面扫描电子显微镜（SEM）图像。通过注入强电负性的氟离子，原本导电的 n+-GaN/p-GaN 层在 FIT 区域内变为电阻层，从而有效地隔离离散 FIT-MOS 器件，消除了传统 MET 结构的需求。FIT-MOS 的栅沟槽深度为 1.15 μm，延伸至 n-GaN 漂移层。可以观察到完整的栅堆叠结构，包括 100 nm 厚的 SiO₂ 栅介质层，以及 50/150 nm 厚的 Cr/Au 栅金属层。
图 1：（a）全垂直 GaN-on-Si 沟槽 MOSFET 的结构示意图；（b）带氟注入终端（FIT-MOS）的沟槽栅区域横截面 SEM 图像。
FIT-MOS 的制造工艺首先使用 SiO₂作为硬掩膜进行栅沟槽刻蚀，随后在氮气环境下以 850°C 快速热退火（RTA）20 分钟，以激活埋藏的 p-GaN 层中的受主。通过在 25% TMAH 溶液中 85°C 浸泡 3 小时修复干法刻蚀损伤。随后进行三能级氟离子注入（能量/剂量：240 keV/4×101?cm?2，140 keV/2×101?cm?2，80 keV/1.2×101?cm?2），采用住友 Eaton Nova 的 NV-GSD-HE 离子注入机，并用约 6.5μm 厚的 AZ4620 光刻胶作为掩膜，形成 FIT 区域。
随后采用原子层沉积（ALD）沉积100 nm 厚的SiO₂栅介质层，并通过反应离子刻蚀（RIE）开源极接触孔。最后沉积双层 Cr/Au 堆叠以形成栅极和源极电极。低电阻硅衬底作为漏极电极。MET-MOS 与 FIT-MOS 的工艺流程类似，不同之处在于 MET-MOS 采用台面刻蚀来隔离离散器件。
结果与讨论
图 2(a)-(b) 展示了全垂直沟槽 MOSFET 的 N-P-N 外延结构的截面 SEM 图像及二次离子质谱（SIMS）剖面。从上到下，N-P-N 结构包括：20nm厚的 n??-GaN 层（Si 掺杂 ~1×101?cm?3）、200 nm厚的n?-GaN 源极接触层（Si 掺杂~5×101?cm?3）、400nm厚的 p-GaN通道层（Mg掺杂~1×101?cm?3）、以及 7μm厚的 n?-GaN 漂移层（N_D–N_A ~8×101?cm?3）。该结构外延在 6 英寸 Si 衬底上，并采用导电缓冲层，通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）实现。
图 2(a) 全垂直沟槽型 MOSFET 的 N-P-N 外延结构的横截面扫描电子显微镜（SEM）图像；(b) 全垂直沟槽型 MOSFET 的 N-P-N 外延结构的二次离子质谱（SIMS）剖面图；(c) (002) 和 (102) 晶向的 Omega 摇摆曲线。插图显示了在 Si 衬底上生长的 GaN层；阴极发光（CL）图像；(d) 通过物质中离子输运 (TRIM) 模拟和二次离子质谱（SIMS）测量得到的氟离子（F 离子）分布。
导电缓冲层由 AlGaN/AlN 多层组成，可实现全垂直电流通路，同时避免复杂的衬底工程工艺。而且，基于 AlGaN/AlN 的缓冲层还能对上方的 GaN 漂移层提供足够的压应力，有效补偿拉伸应力，避免因高温冷却过程引起的裂纹。通过 X 射线ω摇摆曲线的半峰宽（FWHM）（见图 2(c)），估算出的穿通位错密度（TDD）为 3.0×10?cm?2，其计算公式如下：
其中，β是半峰宽，b是伯格斯矢量。通过阴极发光（CL）测量也得到了类似的位错密度（TDD），为1.4×10?cm?2，如图 2(c) 的插图所示。图 2(d) 显示了通过物质中离子输运 (TRIM) 模拟和 二次离子质谱 (SIMS) 测量得到的氟离子（F 离子）分布剖面，结果显示氟离子在 FIT 结构中呈均匀分布。
图 3(a) 显示了 FIT-MOS 在 VDS = 10 V 下的转移特性曲线（线性与对数坐标）。FIT-MOS 表现为增强型工作模式，具有正的阈值电压 Vth = 3.3 V（在 IDS = 1 A/cm2 时提取）、约 10? 的开关比，以及 ~0.5 V 的迟滞现象。图 3(b) 显示了所制备 FIT-MOS 的输出特性，揭示其高导通电流密度为 8 kA/cm2。由线性区计算得到的比导通电阻 Ron,sp 约为 5.6 mΩ·cm2。
图 3(a) 所制造的全垂直 GaN-on-Si FIT-MOS 的转移特性曲线；(b) 所制造的全垂直 GaN-on-Si FIT-MOS 的输出 I-V 特性曲线。ID（漏极电流）已按沟槽面积进行归一化。
图 4 对比了FIT-MOS 与 MET-MOS 的关断态击穿特性。在击穿前，栅漏电流 (IG) 始终低于10??A/cm2，表明栅介质堆叠在高漏极偏压下具有优异的稳定性。FIT-MOS 的击穿电压高达 1277 V，而 MET-MOS 在 567 V 就发生了过早击穿。在低 VDS 时，FIT-MOS 的关断态电流密度比 MET-MOS 更大，这是由于 FIT 结构引入了额外的纵向漏电通道。这一现象可通过测试结构的点对点漏电流密度（见图 5(a)）得到验证。此外，由于氟离子注入后 FIT 区域存在 Ga 空位、原子键合不足以及能量约束不足，氟离子可能在 GaN 晶格中扩散并逸出表面，从而影响器件的热稳定性。采用优化的后注入退火工艺可有效降低关断态漏电流密度，并增强 FIT-MOS 的热稳定性。
图 4，在 VGS=0 V 条件下，所制造的全垂直 GaN-on-Si FIT-MOS 和 MET-MOS 的关态击穿 I-V 特性曲线。插图显示了 FIT-MOS 和 MET-MOS 的潜在漏电路径。
图 5(a) 带有 FIT 和 MET 隔离的测试结构（插图）的焊盘到焊盘的漏电流密度；(b) MET-MOS 在VDS=400 V时的模拟电场分布；(c) FIT-MOS 在 VDS=1200 V 时的模拟电场分布
为分析 MET-MOS 和 FIT-MOS 的击穿机理，采用 TCAD 仿真计算二维电场分布（见图 5(b)-(c)）。仿真中使用的关键物理模型包括载流子漂移扩散模型、产生-复合模型、连续性方程与泊松方程，以及雪崩电离模型。在 VDS = 400 V 时，MET 结构在台面拐角处可观察到电场拥挤，峰值电场达 2.7 MV/cm，导致其击穿电压下降。而如图 5(c) 所示，FIT 结构能够有效抑制终端区域的电场拥挤。然而，在沟槽栅区域仍观察到电场拥挤，这可以通过采用栅极屏蔽结构来有效抑制。
图 6：（a）比导通电阻 Ron,sp 与击穿电压 BV 的对比；（b）漂移层厚度 (Tdrift) 与击穿电压 BV 的对比。对比对象为本文制备的 GaN-on-Si 全垂直 FIT-MOS 与已报道的在 Si、蓝宝石 (Sap) 和 GaN 衬底上的 GaN 垂直沟槽 MOSFET
图 6(a)-(b) 对比了本文制备的 GaN-on-Si FIT-MOS 与已报道的在 Si、蓝宝石 (Sap) 和 GaN 衬底上制备的垂直 GaN 沟槽 MOSFET 的 Ron,sp–BV 以及漂移层厚度–BV 特性。本文 FIT-MOS 在异质衬底（Si 与 Sap）上实现了先进水平的击穿电压 1277 V，低比导通电阻 5.6 mΩ·cm2，以及高 Baliga 优值（BFOM = BV2 / Ron,sp）为 291 MW/cm2，其性能与在本征 GaN 衬底上制备的器件相当。此外，得益于高效的氟注入终端技术，7 μm 漂移层厚度的 GaN-on-Si 全垂直 FIT-MOS 实现了与典型 1200 V 级 GaN-on-GaN 垂直沟槽 MOSFET 相当的击穿电压，而后者通常需要超过 10 μm 的漂移层厚度。这一结果标志着低成本 GaN-on-Si 垂直 MOSFET 向 1200 V 级电力应用迈出了关键一步。
结论
本文展示了一种 1200 V 全垂直 GaN-on-Si 沟槽 MOSFET，采用氟离子注入终端（FIT）技术。FIT 结构取代了常规的台面刻蚀终端，有效地实现了对离散 FIT-MOS 器件的隔离，从而消除了 MET-MOS 中的电场拥挤效应。结果实现了 1277 V 的先进击穿电压，以及 291 MW/cm2 的 Baliga 优值 (BFOM)。氟注入终端技术为垂直 GaN 沟槽 MOSFET 在 kV 级电力系统中的应用展现了巨大的潜力。
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