什么是垂直氮化镓?关注氮化镓的重磅发布_pcimasia氮化镓展

垂直氮化镓(Vertical GaN)是氮化镓(GaN)材料的一种新型结构，采用垂直拓扑设计。与传统横向结构相比，垂直 GaN 通过增加漂移层厚度提升阻断能力，同时不增加器件面积，适合高电压、高功率应用。其优势在于高击穿电压、低导通电阻和高导通电流密度，为电力电子系统提供高性价比解决方案，有望在高压领域取代传统硅基器件。

近日，山东大学发布了一篇题为《1200 V Fully-Vertical GaN-on-Si Power MOSFET》的论文。在文中，他们介绍一种 1200 V 全垂直 GaN-on-Si 沟槽 MOSFET，采用氟注入终端(FIT-MOS)。FIT (fluorine implanted termination)区由于带有固定的负电荷而表现为高电阻，可自然地将分立器件隔离，取代了传统的台面刻蚀终端(MET)，消除了台面边缘的电场拥挤效应。

结果显示，FIT-MOS 的击穿电压从 MET-MOS 的 567 V 提升至 1277 V。此外，所制备的 FIT-MOS 具有 3.3 V 的阈值电压 (Vth)、约 10^7 的开关比 (ON/OFF ratio)，以及 5.6 mΩ·cm² 的比导通电阻 (Ron,sp)。这些结果表明，GaN-on-Si 垂直晶体管在 kV 级应用中具有巨大的性价比潜力。

氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)等宽禁带半导体，在开发高效、高密度电力系统方面具有巨大潜力。目前，GaN 基晶体管已广泛应用于 100 V 至 650 V 的电源，而 SiC 基晶体管则主要在 1200 V 以上的高压领域占据商业主导地位。

然而，对于 650 V 至 1200 V 这一对成本和性能竞争都异常激烈的市场区间，GaN 和 SiC 谁将成为最佳选择，仍未可知。尽管 SiC 基晶体管的发展取得了显著进展，但其相对高昂的衬底成本，从经济角度限制了它们在这一电压范围内的竞争力。

幸运的是，在低成本、大尺寸硅(Si)衬底上外延生长 GaN 的异质外延技术取得了突破，这为制造高性价比、高性能的 GaN 晶体管带来了巨大希望。

得益于 AlGaN/GaN 异质界面处产生的高密度二维电子气(2DEG)，GaN 基横向高电子迁移率晶体管(HEMTs)在需要高频率和低电压的应用中具有显著优势。然而，由于横向架构固有的可扩展性限制，将 GaN-on-Si 横向 HEMT 的击穿电压扩展到 650 V 以上仍然是一个挑战。

相比之下，垂直拓扑结构具有设计灵活性，垂直 GaN 功率晶体管通过增加漂移层的厚度而不增加器件的面积，在千伏(kV)级阻断能力方面展现出显著优势。近年来，已成功开发出多款 1200 V 垂直 P-i-N 二极管，并展示了优异的阻断和雪崩能力，这验证了垂直 GaN-on-Si 拓扑在高压和高功率应用中的可行性。

Liu 等人首次报道了准垂直 GaN-on-Si 沟槽 MOSFET，采用 4 μm 厚的 GaN 漂移层，其硬击穿电压达 645 V。随后研究聚焦于优化 p-GaN 沟道区与栅介质层，以改善准垂直 GaN-on-Si 沟槽 MOSFET 的导通性能和可靠性。为消除准垂直结构中存在的电流拥挤效应，Khadar 等人展示了首个全垂直 GaN-on-Si 沟槽 MOSFET，其漏极电极沉积于通过选择性去除缓冲层和硅衬底后暴露的背面 n+-GaN 层上。Debaleen 等人报道了一种带有导电缓冲层的全垂直 GaN-on-Si 晶体管，这种设计消除了复杂的衬底工艺并简化了制造流程。然而，由于缺乏有效的终端结构和高质量的漂移层，这些报道的垂直 GaN-on-Si MOSFETs 的击穿电压(BV)仍低于 650 V，这对于千伏(kV)级别的电力系统应用来说是不足的。

一种 1200 V 全垂直 GaN-on-Si 沟槽 MOSFET，采用氟离子注入终端(FIT)。传统的台面刻蚀终端(MET)被高阻的 FIT 结构取代，该结构能够有效隔离分立器件，并缓解终端区域的电场拥挤效应。因此，FIT-MOS 的击穿电压从 MET-MOS 的 567 V 提升至 1277 V。此外，FIT-MOS 表现出增强型工作模式，具有 3.3 V 的阈值电压 (Vth)、约 107 的开关比 (ON/OFF ratio)、低的比导通电阻 (Ron,sp) 为 5.6 mΩ·cm²，以及 8 kA/cm² 的高导通电流密度。这些结果为基于 GaN-on-Si 垂直晶体管的 kV 级电力电子系统的发展奠定了基础。

来源：pcimasia氮化镓展

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