集成MOS沟道二极管的新型垂直GaN场效应晶体管反导特性和单事件效应的改善
转自：Microelectronics Journal
论文信息：Xintong Xie, Shuxiang Sun, et al. "Improvement of reverse conduction characteristic and single event effect for a novel vertical GaN field effect transistor with an integrated MOS-channel diode." Microelectronics Journal (2024): 106091.
论文链接：
https:// www.elsevier.com/locate/mejo
研究背景
由于具有宽的带隙、高的临界击穿电场强度和高的电子饱和速度，GaN基器件在航空航天应用的高压电源集成电路中具有广阔的应用前景。通过增加漂移区厚度，垂直GaN器件可以在不牺牲芯片尺寸的情况下实现高击穿电压。此外，电场峰位于GaN体而不是表面，具有更好的可靠性。垂直GaN器件如电流孔径垂直电子晶体管(CAVET)、沟槽MOS场效应晶体管(MOSFET)和鳍状场效应晶体管已被报道。氮化镓垂直晶体管中的固有p-i-n二极管作为自由旋转二极管(FWD)，具有高导通电压。外部反并联肖特基势垒二极管(SBD)作为FWD会增加体积尺寸，并引入无意的寄生电容和电感。
研究内容
在这项工作中，提出了一种新型的基于gan的垂直场效应晶体管，其集成了MOS沟道二极管(MCD-FET)。MCD作为一个低VRT的FWD，通过优化其参数保持MCD- FET的高正向导通和阻塞特性。同时，MCD的存在调节了电场分布，提高了MCD- FET对SEE的鲁棒性。
图1所提出的MCD-FET和传统CAVET的示意图。MCD-FET和CAVET都是基于AlGaN/N漂移异质结。在图1(a)中，特征MCD用红色点框标记。沟槽源金属、HfO2和N漂移形成MIS(金属-绝缘体-半导体)结构。槽源通过N漂移垂直延伸到p型阻塞层(PBL)。
图1 (a)提出的MCD-FET和(b)传统CAVET的示意图截面。
图2显示了MCD-FET的工作机理。如图2(a)所示，在关断状态下，由于源金属和N漂移之间的功函数不同，MCD通道受到上述MIS结构和PBL的耗尽效应的挤压;栅极下的2DEG被P- GaN有效地耗尽，实现了正常关断工作。当VGS增加到阈值电压(Vth)时，2DEG通道打开。在导通状态下，正向电流通过2DEG通道，如图2(b)中红色箭头所示;MCD仍然被掐断，几乎不影响MCD- FET的正向导通特性。在反向导通状态下，当VSD增大到VRT时，MCD通道形成导通通道，如图2(c)所示;如图2(d)所示，当VSD进一步增加到Vth- VGS以上时，p-GaN栅极下的2DEG通道导通并参与反向传导，增加了反向电流容量。
图2 MCD-FET在不同状态下的工作机理。
图3(a)和(b)显示了tch对传输和正向阻塞特性的影响。Vth定义为IDS = 1A/cm2的VGS。由于p基对2DEG通道的损耗效应随着tch从0.2 μm增加到0.5 μm而减弱，一方面Vth从1.98 V稳步降低到1.31 V;另一方面，由于p基与2DEG通道之间的泄漏电流增加，BV从1676 V降低到715 V。如图6(b) - 6(d)所示，在VDS = 715 V时，tch = 0.5 μm处的漏电流远大于tch = 0.4 μm处的漏电流，这是由于p基未能掐断漏电流通路造成的。
图3 (a)传输和(b)作为tch函数的正向阻塞特性。(c)tch = 0.5 μm， (d)tch = 0.4 μm时泄漏电流流线分布。
在模拟中，重离子垂直入射，MCD-FET和CAVET最敏感的位置都在p基右侧，图9中灰色箭头所示，p基附近存在高电场区。考虑到最坏的情况，重离子会穿透整个装置。图4显示了MCD-FET和CAVET在关断状态(VDS = 100 V, VGS = 0 V)下的IDS随时间的变化。MCD-FET和CAVET的IDS均上升到当前峰值(Ipeak)，随后逐渐降低。与CAVET相比，MCD-FET表现出10.11 mA的低峰，降低了64.9%。
图4 在关断状态下，由重离子引起的漏极电流随时间的变化。
总结与展望
本文提出了一种新型的集成MOS沟道二极管的垂直GaN型场效应晶体管。对于反向导通，MCD在2g通道之前导通，降低了VRT, VRT也独立于VGS;在正向导通和阻塞状态下，MCD被掐断，而不会降低导通状态和阻塞性能。同时，PBL有助于调制电场分布，从而改善BV和SEE性能。所提出的MCD-FET显示出在功率开关系统和SEE硬化器件应用中降低反向导通损耗的潜力。
微信号｜微纳流控
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