Verbeterde Baliga's Figuur-van-Merites in een Nieuwe GaN Nano-Pilier Verticale FET met 2DEG-kanaal en Gepatroneerd Substraat

Samenvatting

Een nieuwe enhancement-mode verticale GaN veld-effect transistor (FET) met een tweedimensionaal elektrongas (2DEG) kanaal en een substraatpatroon (SP) wordt gepresenteerd. Door de SP-breedte en -hoogte af te stemmen, bereikt het apparaat een lagere aan-weerstand (R_ON) terwijl een hoge doorlaagspanning (BV) behouden blijft. Experimenteel gecalibreerde ATLAS-simulaties tonen aan dat een 700 nm lang en 4,6 µm breed SP een zesvoudige toename van Baliga's Figuur-van-Merites (BFOM = BV²/R_ON) oplevert ten opzichte van een onbepatroonde tegenhanger, zonder in te boeten op apparaatoppervlakte. De nanoscopische voetafdruk van de pilier en SP maakt hoge-dichtheidsintegratie mogelijk, wat deze architectuur positioneert als een sterke kandidaat voor toekomstige power-elektronica.

Achtergrond

Wijde-bandgap halfgeleiders zoals ZnO, In₂O₃, SiC en GaN hebben veel aandacht getrokken vanwege hun hoge doorlaagspanningen en superieure thermische stabiliteit. In het bijzonder is de laterale AlGaN/GaN high-electron-mobility transistor (HEMT) een toonaangevende kandidaat om Si-apparaten in power- en RF-toepassingen te vervangen. Talloze strategieën — waaronder p-type caps, fluor-ionimplantatie, dunne barrières, dubbele-kanaalontwerpen en veld-gekoppelde gates — zijn onderzocht om enhancement-mode HEMTs te realiseren die stuurcircuits vereenvoudigen. Deze benaderingen ondervinden echter uitdagingen zoals drempelspanningsnon-uniformiteit, beperkte BFOM en excessief chip-gebruik. De afweging tussen driftlengte en BV belemmert verder de schaalbaarheid van apparaten.

Verticale GaN FETs (VFETs) verlichten veel van deze problemen door de volledige verticale kanaal te benutten en eenvoudigere enhancement-mode operatie te bieden. Recente studies richten zich op het verhogen van BV terwijl R_ON wordt verminderd door diverse structurele innovaties, doch het ontbreken van een hoog-mobiliteit 2DEG leidt vaak tot hogere weerstanden, wat de BFOM-optimalisering beperkt.

Ons werk introduceert een verticale GaN FET die gelijktijdig een 2DEG-kanaal en een gepatroneerd substraat incorporeert. Deze combinatie balanceert lage R_ON met hoge BV, terwijl de nanoschaalse pilier en SP dichte apparaatintegratie mogelijk maken.

Methode

Het apparaat wordt geproduceerd op een standaard Al_0.23GaN/GaN-wafer, met een zwaar gedopeerd n-type substraat dat fungeert als drain. Laagdiktes zijn: SiN (105 nm), AlGaN (20 nm) en GaN (5 µm). Een 2×10¹⁶ cm⁻³ n-GaN buffer en een 2×10¹⁷ cm⁻³ p-GaN cap vormen respectievelijk de buffer en het samengestelde kanaal. Een dunne AlGaN-laag induceert het 2DEG, en de SP — doorgaans Al₂O₃ — wordt op het substraat gegroeid.

De fabricagevolgorde is eenvoudig: (1) epitaxiale groei van het geleidend substraat en SP-laag; (2) selectieve SP-patroon etching; (3) depositie en polishing van de n-GaN buffer; (4) AlGaN-barrière en p-GaN cap depositie; (5) elektrodevorming en passivering.

ATLAS-simulaties zijn gecalibreerd tegen experimentele data van een enhancement-mode HEMT met een p-GaN cap. Apparaatparameters staan in Tabel 1, en interfacevalkarakteristieken aan de SP/GaN-grens zijn afgeleid uit capaciteitsmetingen. Polarizatieladingen zijn berekend via een kwadratische fitting-benadering.

Fysica Mechanisme

In de aan-toestand vertoont de SP-VFET een hoog geleidend pad door het 2DEG, terwijl het smalle verticale kanaal de totale geleiding beperkt. Het 2DEG aan de AlGaN/GaN-interface ondersteunt laterale stroom, wat de verticale weerstand deels compenseert. Apparaten zonder 2DEG-kanaal ervaren aanzienlijk hogere weerstand.

Simulaties tonen aan dat de p-GaN cap-lengte minimaal invloed heeft op het piekelektrisch veld tot deze 700 nm overschrijdt, waarna de cap het hele oppervlak bedekt. De veldpiek blijft op de p-GaN-hoek ongeacht de lengte, maar een langere cap verplat het veldverloop, wat de weerstand iets verhoogt door 2DEG-uitputting.

Een analytisch aan-weerstandsmodel (Fig. 4) toont aan dat het 2DEG-kanaal de geleiding domineert; de verticale padweerstand wordt alleen significant wanneer de SP-lengte toeneemt. De aan-weerstand neemt hyperbolisch toe met SP-lengte maar blijft grotendeels onbeïnvloed door SP-hoogte onder 4,7 µm, wat de veerkracht van het 2DEG bevestigt.

In de uit-toestand herverdelen de negatief geladen interfacevallen van het SP het elektrisch veld onder de p-GaN cap, wat piekvelden verlaagt en de uitputtingsregio uitbreidt. Deze herverdeling verbetert de doorlaagspanning terwijl R_ON slechts matig toeneemt door 2DEG-compensatie. Gevolgelijk fluctueert BFOM met SP-afmetingen.

Resultaten en Discussie

Transfer- en uitvoerkarakteristieken voor apparaten zonder SP (Fig. 7) tonen verwaarloosbare afhankelijkheid van p-GaN cap-lengte, wat de rol van het 2DEG in het handhaven van consistente geleiding bevestigt. De minimale cap-lengte is 400 nm om excessieve veldophooping bij de gate te voorkomen.

Voor SP-VFETs (Fig. 8) blijft de aan-weerstand constant voor SP-hoogtes onder 4,7 µm, maar neemt toe met SP-lengte, consistent met het vernauwde verticale kanaal. Het 2DEG-kanaal blijft grotendeels onbeïnvloed door matige SP-hoogtes; alleen wanneer de SP aangrenzend is aan het 2DEG, depleteert de negatieve lading het significant.

Stroomdichtheidsafbeeldingen (Fig. 9) bevestigen dat de SP het verticale kanaal vernauwt, terwijl laterale stroom voornamelijk door het 2DEG wordt geleid. De totale stroomdichtheid verandert slechts lichtjes met SP-hoogte.

Geëxtraheerde R_ON en BV (Fig. 10a) onthullen een hyperbolische toename van weerstand met SP-lengte, terwijl BV stijgt tot de SP-lengte 700 nm bereikt. De BFOM piekt op 125 MW cm⁻² voor een 700 nm SP-lengte en 4,6 µm hoogte, wat een zesvoudige verbetering ten opzichte van het onbepatroonde apparaat vertegenwoordigt.

De verbeterde BV ontstaat door de capaciteit van de SP om het elektrisch veld te herverdelen, wat piekconcentraties onder de p-GaN cap mitigeert. De negatief geladen interfacevallen creëren een additioneel veld dat het uitputtingsgeïnduceerde veld tegengaat, de uitputtingsregio uitbreidt en lekkagepaden vermindert. Gesimuleerde veldkaarten (Fig. 12) en doorsnede-analyses (Fig. 13) illustreren hoe toenemende SP-lengte het veld verplat en concentreert over de SP-rand, die een hogere kritische veld bezit.

Conclusie

Afkortingen

n_A

Dopingsconcentratie van p-type GaN

n_D

Dopingsconcentratie van n-type GaN

2DEG

Tweedimensionaal elektrongas

Al_0.23GaN

Aluminium gallium nitrid (23% Al)

Al₂O₃

Aluminiumoxide

BFOM

Baliga's Figuur-van-Merites

SP

Substraatpatroon

E-veld

Elektrisch veld

FET

Veld-effect transistor

GaN

Gallium nitrid

HEMT

High-electron-mobility transistor

H_G

Gate hoogte

H_W

Substraatpatroon hoogte

L_D

Apparaatlengte

L_G

Gate lengte

L_P

p-GaN cap lengte

L_W

Substraatpatroon lengte

SiN

Silicium nitrid

SP-VFET

Verticale veld-effect transistor met substraatpatroon

W_D

Apparaatdiepte

σ_p

Polarisatielading