近日，中國科技大學(xué)微電子學(xué)院楊樹教授和龍世兵教授課題組在垂直型GaN功率晶體管研究方向取得進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了具有高反型溝道遷移率的垂直型GaN溝槽柵MISFET，相關(guān)研究成果以“Achieving 205 cm2V-1s-1?Inversion Channel Mobility in 1.4 kV Vertical GaN-on-GaN MISFET With Nitride Gate Dielectric?”為題在2024 IEEE?International Electron Devices Meeting (IEDM)上做口頭報(bào)告。IEDM是電子器件領(lǐng)域的國際知名會(huì)議，本屆會(huì)議于2024年12月7日至11日在美國舊金山舉行。

千伏級(jí)功率器件在光伏、工業(yè)電機(jī)、電動(dòng)汽車、醫(yī)療供電等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。垂直型GaN-on-GaN功率器件能夠拓展傳統(tǒng)GaN器件的電壓和功率等級(jí)，并具有優(yōu)異的散熱和動(dòng)態(tài)性能。當(dāng)前，在多數(shù)1.2~1.7 kV寬禁帶半導(dǎo)體溝槽柵MOSFETs中，因反型溝道遷移率難以提升，溝道電阻通常占器件整體導(dǎo)通電阻的~30%或以上。為了降低器件導(dǎo)通電阻和損耗、提升功率轉(zhuǎn)換效率，需要探索功率MOSFET中反型溝道遷移率的有效提升方法。

研究團(tuán)隊(duì)通過優(yōu)化柵槽刻蝕工藝，實(shí)現(xiàn)了低粗糙度、清潔光滑無微溝槽的柵極溝槽，可抑制表面粗糙度散射；同時(shí)在柵介質(zhì)沉積系統(tǒng)中原位生長高質(zhì)量AlN界面插入層，可將界面陷阱密度降低約一個(gè)數(shù)量級(jí)，可抑制庫侖散射。器件結(jié)構(gòu)示意圖及溝槽柵MIS界面如圖1所示。

圖1. 具有AlN界面插入層的垂直型GaN-on-GaN溝槽柵MISFET：(a)?器件結(jié)構(gòu)示意圖；(b)器件柵槽處SEM、TEM及EDS表征結(jié)果。

具有AlN界面插入層的垂直型GaN功率MISFET導(dǎo)通電阻~2.0 mΩ·cm2，閾值電壓~4.1V，電流擺幅~1010，擊穿電壓~1.4 kV。通過AlN界面插入層對(duì)溝道載流子散射機(jī)制的抑制，無需復(fù)雜再生長工藝，即可將溝槽柵反型溝道遷移率從30 cm2/V·s提升至205 cm2/V·s，在當(dāng)前國際報(bào)道的千伏級(jí)同類器件中較為領(lǐng)先。器件導(dǎo)通特性和溝道遷移率提取結(jié)果如圖2所示。

圖2. 具有AlN界面插入層的垂直型GaN-on-GaN溝槽柵MISFET：(a)導(dǎo)通特性；(b)反型溝道遷移率提取結(jié)果。

中國科技大學(xué)微電子學(xué)院博士生韓在天為論文第一作者，楊樹教授為論文通訊作者，龍世兵教授為合作教授。該研究工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。

來源：中國科大微電子學(xué)院