Улучшенные фигуры заслуг Балиги в новом вертикальном FET на GaN с наностолбиками, 2DEG-каналом и структурированным подложкой

Аннотация

Представлен новый режим накопления вертикальный полевой транзистор на GaN (FET), включающий двумерный электронный газ (2DEG) в канале и структурированную подложку (SP). За счет оптимизации ширины и высоты SP устройство достигает более низкого активного сопротивления (R_ON) при сохранении высокого пробойного напряжения (BV). Калиброванные по экспериментальным данным моделирования ATLAS показывают, что SP длиной 700 нм и шириной 4,6 мкм обеспечивает шестикратное увеличение фигуры заслуг Балиги (BFOM = BV²/R_ON) по сравнению с необструктурированным аналогом без потери площади устройства. Наноразмерные наностолб и SP позволяют высокую плотность интеграции, что делает эту архитектуру перспективной для будущей мощной электроники.

Введение

Широкополосные полупроводники, такие как ZnO, In₂O₃, SiC и GaN, привлекают внимание благодаря высоким пробойным напряжениям и превосходной термической стабильности. В частности, боковые AlGaN/GaN транзисторы с высокой подвижностью электронов (HEMT) являются лидерами для замены Si-устройств в мощных и РЧ применениях. Различные стратегии — p-типа кэпы, фторирование, тонкие барьеры, двухканальные дизайны, полесвязанные затворы — исследовались для реализации режима накопления HEMT, упрощающих драйверы. Однако эти подходы сталкиваются с проблемами: неравномерность порогового напряжения, ограниченный BFOM, чрезмерное потребление площади кристалла. Компромисс между длиной дрифт-региона и BV еще больше препятствует масштабированию.

Вертикальные GaN FET (VFET) устраняют многие из этих проблем, используя полный вертикальный канал и обеспечивая более легкую реализацию режима накопления. Недавние исследования фокусировались на повышении BV при снижении R_ON через структурные инновации, но отсутствие высокоподвижного 2DEG часто приводит к более высоким сопротивлениям, ограничивая оптимизацию BFOM.

Наша работа представляет вертикальный GaN FET, одновременно включающий 2DEG-канал и структурированную подложку. Это сочетание балансирует низкое R_ON с высоким BV, а наноразмерные наностолб и SP позволяют плотную интеграцию устройств.

Метод

Устройство изготавливается на стандартной Al_0.23GaN/GaN подложке, где сильно легированный n-тип подложка служит дреном. Толщины слоев: SiN (105 нм), AlGaN (20 нм), GaN (5 мкм). Буфер n-GaN с легированием 2×10¹⁶ см⁻³ и p-GaN кэп 2×10¹⁷ см⁻³ образуют буфер и композитный канал соответственно. Тонкий слой AlGaN индуцирует 2DEG, а SP — обычно Al₂O₃ — растет на подложке.

Улучшенные фигуры заслуг Балиги в новом вертикальном FET на GaN с наностолбиками, 2DEG-каналом и структурированным подложкой

Последовательность fabricación проста: (1) эпитаксиальное наращивание проводящей подложки и слоя SP; (2) селективное травление паттерна SP; (3) осаждение и полировка n-GaN буфера; (4) осаждение барьера AlGaN и кэпа p-GaN; (5) формирование электродов и пассивация.

Моделирование ATLAS калибровано по экспериментальным данным enhancement-mode HEMT с p-GaN кэпом. Параметры устройства приведены в Таблице 1, характеристики интерфейсных ловушек на границе SP/GaN получены из емкостных измерений. Поляризационные заряды рассчитаны квадратичной аппроксимацией.

Физический механизм

В открытом состоянии SP-VFET демонстрирует высокопроводящий путь благодаря 2DEG, в то время как узкий вертикальный канал ограничивает общую проводимость. 2DEG на границе AlGaN/GaN обеспечивает боковой ток, частично компенсируя вертикальное сопротивление. Устройства без 2DEG-канала показывают значительно более высокое сопротивление.

Моделирование показывает, что длина p-GaN кэпа минимально влияет на пиковое электрическое поле до 700 нм, после чего кэп покрывает всю поверхность. Пик поля остается в углу p-GaN независимо от длины, но более длинный кэп выравнивает распределение поля, незначительно увеличивая сопротивление из-за истощения 2DEG.

Аналитическая модель активного сопротивления (Рис. 4) показывает, что 2DEG-канал доминирует в проводимости; вертикальное сопротивление становится значимым только при увеличении длины SP. Активное сопротивление гиперболически растет с длиной SP, но практически не зависит от высоты SP ниже 4,7 мкм, подтверждая устойчивость 2DEG.

В закрытом состоянии негативно заряженные интерфейсные ловушки SP перераспределяют электрическое поле под p-GaN кэпом, снижая пиковые поля и расширяя обедненную область. Это перераспределение улучшает пробойное напряжение, лишь незначительно увеличивая R_ON благодаря компенсации 2DEG. Следовательно, BFOM колеблется в зависимости от размеров SP.

Результаты и обсуждение

Передаточные и выходные характеристики устройств без SP (Рис. 7) показывают пренебрежимую зависимость от длины p-GaN кэпа, подтверждая роль 2DEG в поддержании постоянной проводимости. Минимальная длина кэпа 400 нм необходима для избежания избыточного сгущения поля у затвора.

Для SP-VFET (Рис. 8) активное сопротивление остается постоянным для высот SP ниже 4,7 мкм, но растет с длиной SP, что согласуется с сужением вертикального канала. 2DEG-канал почти не влияет на умеренные высоты SP; только когда SP примыкает к 2DEG, негативный заряд существенно истощает его.

Карты плотности тока (Рис. 9) подтверждают, что SP сужает вертикальный канал, в то время как боковой ток все еще переносится преимущественно 2DEG. Общая плотность тока незначительно меняется с высотой SP.

Извлеченные R_ON и BV (Рис. 10a) показывают гиперболический рост сопротивления с длиной SP, в то время как BV растет до длины SP 700 нм. BFOM достигает пика 125 МВт·см⁻² при длине SP 700 нм и высоте 4,6 мкм, что представляет шестикратное улучшение по сравнению с необструктурированным устройством.

Повышение BV обусловлено способностью SP перераспределять электрическое поле, смягчая пиковые концентрации под p-GaN кэпом. Негативно заряженные интерфейсные ловушки создают дополнительное поле, противодействующее обедненному полю, тем самым расширяя обедненную область и уменьшая пути утечки. Смоделированные карты электрического поля (Рис. 12) и профильные анализы (Рис. 13) иллюстрируют, как увеличение длины SP выравнивает поле и концентрирует его на краю SP, обладающем более высоким критическим полем.

Заключение

Это исследование демонстрирует новый вертикальный GaN FET, использующий 2DEG-канал и наноразмерную структурированную подложку для значительного улучшения BFOM. За счет смягчения пика электрического поля под p-GaN кэпом и создания новой высокопольной области через SP, устройство достигает шестикратного улучшения BFOM при длине SP 700 нм и высоте 4,6 мкм. Компактный дизайн наностолба и минимальный фуутпринт SP делают архитектуру высокодоступной для плотных мощных интегральных приложений.

Аббревиатуры

n_A: Концентрация легирования p-типа GaN
n_D: Концентрация легирования n-типа GaN
2DEG: Двумерный электронный газ
Al_0.23GaN: Нитрид галлия-алюминия (23 % Al)
Al₂O₃: Оксид алюминия
BFOM: Фигура заслуг Балиги
SP: Структурированная подложка
E-field: Электрическое поле
FET: Полевой транзистор
GaN: Нитрид галлия
HEMT: Транзистор с высокой подвижностью электронов
H_G: Высота затвора
H_W: Высота структурированной подложки
L_D: Длина устройства
L_G: Длина затвора
L_P: Длина p-GaN кэпа
L_W: Длина структурированной подложки
SiN: Нитрид кремния
SP-VFET: Вертикальный полевой транзистор с структурированной подложкой
W_D: Глубина устройства
σ_p: Поляризационный заряд

Формо-зависимая цитотоксичность и клеточный захват золотых наночастиц, восстановленных экстрактом зеленого… Высокопроизводительные перерабатываемые сети крахмал-Аг для прозрачных проводящих электродов в гибких датч…

Наноматериалы