材料深一度|全球首个全垂直结构Si基GaN功率MOSFET

导读

得益于优异的材料性能，例如具备高临界电场、高电子迁移率和饱和速率，以及耐高温等特性，GaN器件非常适合用于电力电子领域。

目前产业界已经生产出高性能水平结构的GaN电力电子器件，但该类型器件的主要缺陷在于耐压的提高正比于栅极到漏极的距离，因而在高压工作情况下需要更大的器件面积。此外，器件耐压水平的提高还取决于缓冲层的厚度和质量。最后，水平结构器件还受到器件表面陷阱态和聚集的高电场的严重影响，导致电流崩塌和其他可靠性问题。

与之相比，对垂直结构器件而言则不存在上述问题，因为电场强度的峰值远离器件表面，并且耐压水平取决于漂移层厚度，与器件面积无关。目前，实验室已经报道了基于GaN同质衬底的垂直结构电力电子晶体管器件。然而，由于GaN衬底尺寸较小，价格过于昂贵，阻碍了GaN同质衬底器件的产业化生产。在此背景下，在大尺寸Si衬底上异质外延GaN材料将充分利用Si衬底大尺寸、低成本和制造工艺成熟的优势。

近年来，高压Si基GaN准垂直结构的晶体管也已经被报道，但其性能严重受限于底部n-GaN层中的电流聚集，导致比导通电阻显著增加。尽管可以通过增加掺杂浓度和底部n-GaN材料厚度的方法来改善比导通电阻，但这将限制漂移层的厚度，进而限制器件的耐压水平。此外，准垂直结构的器件也存在较大的器件面积，因为所有的电极仍然制作在器件的上表面。

这些挑战都可以被全垂直结构的器件设计解决，因为电流的垂直特性使得器件不受电流聚集的影响，从而可以提供大电流，并显著降低比导通电阻。此外，全垂直结构的器件设计可以使得同一片晶片上制作出更多的器件，因为晶体管的漏极被制作在晶圆的背部，降低了单个器件的面积。

2019年1月，瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)的科研人员报道了全球首个全垂直结构Si基GaN功率MOSFET，正向电流密度达到1.6 kA/cm2，比导通电阻为5mΩcm2，耐压为520V。

图1 器件性能

该器件是制作在6英寸Si衬底上生长的6.6μm厚n-p-i-n GaN外延结构上。首先是刻蚀1.27μm深的栅极沟槽，为了对比，采用Ni和SiO2两种硬掩膜版。刻蚀完成后，将晶圆浸泡于纯度为25% 、温度为85℃的四甲基氢氧化铵（TMAH）溶液中长达1小时的时间，用于平滑刻蚀表面，修复刻蚀损伤。通过选区刻蚀Si衬底和缓冲层，然后采用共形沉积方法在背面电镀35μm厚铜（Cu）金属材料作为支撑材料和电极。然后在750℃氮气环境下快速退火20分钟，激活掩埋的p-GaN材料。器件之间通过1.35μm深的Cl2基台面刻蚀来隔离。用原子层沉积（ALD）方法沉积100nm厚的SiO2作为栅极氧化层，在源极位置刻蚀掉该氧化层，沉积Cr/Au (50/250 nm) 作为源极和栅极金属。

图2 器件制备过程

接下来是背面加工工艺。首先将Si衬底的厚度从1000μm减薄到500μm，然后将晶圆用蜡固定到Si片上便于背面加工，通过选区刻蚀的方式去除掉背面的Si衬底和GaN缓冲层。通过电子书蒸发的方式沉积Cr/Au (50/250nm) 金属作为漏极欧姆接触的金属电极，并电镀35μm后的Cu金属用于支撑GaN薄膜材料。最后将晶圆浸泡在高温丙酮中使得晶圆脱离支撑的Si片。

出处：doi.org/10.1109/LED.2019.2894177

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首发于微信公众号：材料深一度