在氮化镓外延结构中首次实现了垂直沟道结型场效应晶体管.doc

在氮化镓外延结构中首次实现了垂直沟道结型场效应晶体管德国亚琛工业大学在氮化镓（GaN）外延结构中首次实现了垂直沟道结型场效应晶体管（vc-JFET）。垂直器件对于高功率密度应用是很有应用价值的，因为通过该结构将峰值电场从表面推入散装材料，从而避免了对表面钝化或场板的需要。研究人员使用低成本的2英寸蓝宝石衬底通过MOCVD生成准垂直vc-JFET。之后使用重n型掺杂GaN层实现背面“虚拟”接触（图1）。真正的垂直器件会使漏极触点穿过晶圆的背面 - 这是使用绝缘蓝宝石无法实现的。图1：具有选择性再生长的p-GaN栅极区域的准垂直vc-JFET的示意图。在大多数垂直器件的研究中，会选择使用更昂贵的独立式或块状GaN，形成真正的垂直结构。但在实际生产中，成本是一个关键考虑因素，真正的垂直器件将有几种可能的生成途径 不使用衬底或使用导电生长衬底，例如独立式或块状GaN或硅。但使用硅则会导致材料质量低，从而泄漏电流越大。通过首先施加2m轻掺杂n-GaN漂移层和20nm重掺杂n-GaN接触层来生长RWTH器件结构，然后使用二氧化硅作为在掩模和MOCVD期间保护沟道的硬掩模，在重掺杂p-GaN的选择性区域再生长。其中栅极 - 栅极（GTG）距离为4m。通道宽度为54m。用于选择性区域再生的刻蚀使用干法和湿法的组合方法。沟道的侧壁与GaN晶体结构的m面对准，以减少干刻蚀的粗糙度。湿四甲基氢氧化铵（TMAH）处理进一步使侧壁变平并从蚀刻底部的c面表面去除蚀刻损伤。在p-GaN再生长之后，通过在氮气中在900下退火900秒来激活材料。退火的目的是从镁掺杂中除去氢。氢 - 镁络合物干扰p-GaN材料中所需的空穴的产生。该器件的金属化由用于漏极和源极的钛/铝/镍/金和用于p-GaN栅极的镍/金组成。首先沉积漏电极，然后是栅极，最后是源极。漏电极和栅电极分别在830和535下退火。由于p-GaN接触的温度限制，源电极未退火。漏极触点为欧姆，接触电阻为0.8-mm。然而，栅极接触是非线性的，在零偏压下具有900-mm的接触电阻，而源极表现出肖特基行为。这些问题与源极接触的非退火性质和在栅极下面不存在重掺杂的p-GaN层有关。栅电极允许调制pn结处的耗尽层的厚度，阻断源极和漏极之间的沟道区域中的电流。漂移层具有“中等”厚度，降低了预期的击穿性能。中等漂移层的目的是通过干刻蚀过程更容易接近虚拟背接触。鉴于类似肖特基的“源极”接触，研究人员决定逆转漏极偏置，因此器件的操作就好像源是漏极一样，反之亦然。包括肖特基导通电压约0.5V的器件的行为延迟了漏极偏置的电流增加。具体的导通电阻为2.36m-cm2，归一化为沟道截面积。 栅极漏电流比漏极电流低两个数量级，栅极电位高达10V。图2：1V源极 - 漏极偏置下的准垂直vc-JFET的漏极和栅极电流以及跨导，传输特性。 标准化为通道横截面。虽然晶体管没有夹断，但栅极电位确实调制了漏极电流（高达1.8倍，栅极为-10V，图2）。根据模拟，夹断发生在-112V左右。将其放在一位数范围内需要缩小尺寸，同时减少沟道掺杂以增加空间电荷区域的范围。模拟结果表明，在-12V时，空间电荷区域仅从4m栅极 - 栅极间隙的两侧延伸1m。模拟还表明，常关增强模式操作将会产生1m的栅极 - 栅极间距，以及5m沟道长和5x10E15·cm-3掺杂，提供+2.3V阈值。根据汞电容 - 电压分布测量，实验装置的漂移/沟道掺杂为1×10E16·cm-3。