Verbesserte Baliga-Kennwerte in einem neuartigen GaN-Nanopfeiler-Vertikal-FET mit 2DEG-Kanal und strukturiertem Substrat

Zusammenfassung

Ein neuer, im Sperrmodus arbeitender vertikaler GaN-Feldeffekttransistor (FET) mit einem zweidimensionalen Elektronengas (2DEG) als Kanal und einem strukturierten Substrat (SP) wird vorgestellt. Durch Anpassung der SP-Breite und -Höhe erreicht das Bauelement einen geringeren Einschaltwiderstand (R_ON) bei Erhaltung einer hohen Durchbruchspannung (BV). Experimentell kalibrierte ATLAS-Simulationen zeigen, dass ein 700 nm langes und 4,6 µm breites SP eine sechsfache Steigerung der Baliga-Kennwerte (BFOM = BV²/R_ON) gegenüber einem unstrukturierten Gegenstück bewirkt, ohne die Bauelementfläche zu vergrößern. Der nanoskopische Fußabdruck des Pfeilers und des SP ermöglicht eine hochdichte Integration und positioniert diese Architektur als starken Kandidaten für zukünftige Leistungselektronik.

Hintergrund

Breitband-Halbleiter wie ZnO, In₂O₃, SiC und GaN haben aufgrund ihrer hohen Durchbruchspannungen und überlegenen thermischen Stabilität erhebliche Aufmerksamkeit erregt. Insbesondere der laterale AlGaN/GaN-Hochbeweglichkeits-Transistor (HEMT) ist ein führender Kandidat für den Ersatz von Si-Bauelementen in Leistungs- und HF-Anwendungen. Zahlreiche Strategien – darunter p-Typ-Kappen, Fluor-Ionenimplantation, dünne Barrieren, Doppelkanal-Designs und feldgekoppelte Gates – wurden erforscht, um Sperrmodus-HEMTs zu realisieren, die Treiberschaltungen vereinfachen. Diese Ansätze stehen jedoch vor Herausforderungen wie Schwellenspannungs-Streuung, begrenztem BFOM und übermäßigem Chip-Flächenbedarf. Der Zielkonflikt zwischen Driftlänge und BV behindert zudem die Bauelement-Skalierung.

Vertikale GaN-FETs (VFETs) mildern viele dieser Probleme, indem sie den vollen vertikalen Kanal nutzen und einen einfacheren Sperrmodus-Betrieb ermöglichen. Jüngere Studien konzentrierten sich darauf, den BV zu erhöhen und R_ON durch verschiedene strukturelle Innovationen zu senken, doch das Fehlen eines hochbeweglichen 2DEG führt oft zu höheren Widerständen, was die BFOM-Optimierung limitiert.

Unsere Arbeit stellt einen vertikalen GaN-FET vor, der gleichzeitig einen 2DEG-Kanal und ein strukturiertes Substrat integriert. Diese Kombination balanciert niedriges R_ON mit hohem BV, während der nanoskalige Pfeiler und das SP eine dichte Bauelementintegration erlauben.

Methode

Das Bauelement wird auf einem Standard-Al_0,23GaN/GaN-Wafer gefertigt, wobei ein stark n-dotiertes Substrat als Drain dient. Die Schichtdicken betragen: SiN (105 nm), AlGaN (20 nm) und GaN (5 µm). Ein n-GaN-Puffer mit 2×10¹⁶ cm⁻³ und eine p-GaN-Kappe mit 2×10¹⁷ cm⁻³ bilden Puffer und kompositen Kanal. Eine dünne AlGaN-Schicht induziert das 2DEG, und das SP – typischerweise Al₂O₃ – wird auf dem Substrat aufgewachsen.

Verbesserte Baliga-Kennwerte in einem neuartigen GaN-Nanopfeiler-Vertikal-FET mit 2DEG-Kanal und strukturiertem Substrat

Der Fertigungsablauf ist unkompliziert: (1) Epitaktisches Aufwachsen des Leitersubstrats und der SP-Schicht; (2) Selektives Ätzen des SP-Musters; (3) Abscheidung und Polieren des n-GaN-Puffers; (4) Abscheidung der AlGaN-Barriere und der p-GaN-Kappe; (5) Elektrodenbildung und Passivierung.

ATLAS-Simulationen werden an experimentellen Daten eines Sperrmodus-HEMTs mit p-GaN-Kappe kalibriert. Bauelementparameter sind in Tabelle 1 aufgeführt, und Grenzflächenfalleigenschaften an der SP/GaN-Grenze stammen aus Kapazitätsmessungen. Polarisationladungen werden über einen quadratischen Anpassungsansatz berechnet.

Physikalischer Mechanismus

Im Ein-Zustand weist der SP-VFET aufgrund des 2DEG einen hochleitfähigen Pfad auf, während der schmale vertikale Kanal den Gesamtleitwert begrenzt. Das 2DEG an der AlGaN/GaN-Grenzfläche trägt den lateralen Stromfluss und kompensiert teilweise den vertikalen Widerstand. Bauelemente ohne 2DEG-Kanal zeigen deutlich höhere Widerstände.

Simulationen zeigen, dass die p-GaN-Kappenlänge minimalen Einfluss auf das elektrische Feldmaximum hat, bis sie 700 nm überschreitet, woraufhin die Kappe die gesamte Oberfläche bedeckt. Das Feldmaximum bleibt an der p-GaN-Ecke unabhängig von der Länge, aber eine längere Kappe glättet die Feldverteilung, was den Widerstand aufgrund von 2DEG-Depletion leicht erhöht.

Ein analytisches Einschaltwiderstandsmodell (Abb. 4) zeigt, dass der 2DEG-Kanal die Leitfähigkeit dominiert; der vertikale Pfadwiderstand wird erst bei wachsender SP-Länge signifikant. Der Einschaltwiderstand steigt hyperbolisch mit der SP-Länge, bleibt aber bei SP-Höhen unter 4,7 µm weitgehend unbeeinflusst, was die Robustheit des 2DEG bestätigt.

Im Aus-Zustand verteilen die negativ geladenen Grenzflächenfallen des SP das elektrische Feld unter der p-GaN-Kappe um, reduzieren Feldspitzen und erweitern die Sperrzone. Diese Umverteilung verbessert die Durchbruchspannung, während R_ON aufgrund der 2DEG-Kompensation nur moderat ansteigt. Folglich schwankt der BFOM mit den SP-Abmessungen.

Ergebnisse und Diskussion

Transfer- und Ausgangskennlinien für Bauelemente ohne SP (Abb. 7) zeigen vernachlässigbare Abhängigkeit von der p-GaN-Kappenlänge, was die Rolle des 2DEG bei der Aufrechterhaltung konstanter Leitfähigkeit bestätigt. Die minimale Kappenlänge beträgt 400 nm, um übermäßige Feldkonzentration nahe dem Gate zu vermeiden.

Für SP-VFETs (Abb. 8) bleibt der Einschaltwiderstand bei SP-Höhen unter 4,7 µm konstant, steigt aber mit der SP-Länge an, was dem verengten vertikalen Kanal entspricht. Der 2DEG-Kanal wird durch moderate SP-Höhen kaum beeinflusst; erst wenn das SP direkt an das 2DEG grenzt, deplettiert die negative Ladung diesen signifikant.

Stromdichtekarten (Abb. 9) bestätigen, dass das SP den vertikalen Kanal verengt, während der laterale Strom hauptsächlich vom 2DEG getragen wird. Die Gesamtstromdichte ändert sich nur geringfügig mit der SP-Höhe.

Extrahierte R_ON und BV (Abb. 10a) zeigen einen hyperbolischen Widerstandsanstieg mit SP-Länge, während BV bis zu einer SP-Länge von 700 nm ansteigt. Der BFOM erreicht sein Maximum von 125 MW cm⁻² bei 700 nm SP-Länge und 4,6 µm Höhe – eine sechsfache Verbesserung gegenüber dem unstrukturierten Bauelement.

Die BV-Verbesserung resultiert aus der Fähigkeit des SP, das elektrische Feld umzuverteilen und Spitzenkonzentrationen unter der p-GaN-Kappe zu mindern. Die negativ geladenen Grenzflächenfallen erzeugen ein zusätzliches Feld, das das depletionsinduzierte Feld entgegenwirkt, wodurch die Sperrzone erweitert und Leckpfade reduziert werden. Simulierte Feldkarten (Abb. 12) und Schnittlinienanalysen (Abb. 13) veranschaulichen, wie wachsende SP-Länge das Feld glättet und es an der SP-Kante konzentriert, die ein höheres kritisches Feld besitzt.

Fazit

Diese Studie demonstriert einen neuartigen GaN-Vertikal-FET, der einen 2DEG-Kanal und ein nanoskaliges Substratmuster nutzt, um den BFOM deutlich zu verbessern. Durch Minderung des elektrischen Feldmaximums unter der p-GaN-Kappe und Schaffung eines neuen Hochfeldbereichs über das SP erreicht das Bauelement eine sechsfache BFOM-Steigerung bei 700 nm SP-Länge und 4,6 µm Höhe. Das kompakte Pfeilerdesign und der minimale SP-Fußabdruck machen die Architektur hochgeeignet für dicht integrierte Leistungsanwendungen.

Abkürzungen

n_A: Dotierungskonzentration von p-Typ GaN
n_D: Dotierungskonzentration von n-Typ GaN
2DEG: Zweidimensionales Elektronengas
Al_0.23GaN: Aluminiumgalliumnitrid (23 % Al)
Al₂O₃: Aluminiumoxid
BFOM: Baliga's Figure-of-Merits
SP: Substratmuster
E-Feld: Elektrisches Feld
FET: Feldeffekttransistor
GaN: Galliumnitrid
HEMT: Hochbeweglichkeits-Transistor
H_G: Gate-Höhe
H_W: Substratmuster-Höhe
L_D: Bauelementlänge
L_G: Gate-Länge
L_P: p-GaN-Kappenlänge
L_W: Substratmuster-Länge
SiN: Siliziumnitrid
SP-VFET: Vertikaler Feldeffekttransistor mit Substratmuster
W_D: Bauelementtiefe
σ_p: Polarisationsladung

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