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横向氧化镓 MESFET 功率超前

2021/10/21 13:26:13      材料来源:化合物半导体

这些器件是第一个将高击穿电压与高横向品质因数相结合的器件

 

美国工程师声称为横向 ß-Ga2O3 MESFET 的全面性能开辟了新天地。据说他们的器件是第一个将高击穿电压与高横向品质因数相结合的器件,这是通过实现低比导通电阻来实现的。

 

该团队的发言人、来自 Agnitron 的 Fikadu Alema 认为,这些 MESFET 是在高压下提供高效电源开关的有希望的竞争者。这种优势可以推动该器件在电力供应、电力传输、电网集成和电动汽车中的部署。

 

Alema 及其同事,包括最近从犹他大学搬到 UCSB 的 Sriram Krishnamoorthy 领导的团队,认为他们的 ß-Ga2O3 MESFET 的强大性能表明,高质量的材料可以用传统的器件工艺流程来生产。外延层是在Agnitron 技术下通过 MOCVD 生长的。

 

基于 ß-Ga2O3 的器件可以采用垂直和横向几何形状。该团队追求后者,部分原因是它导致: 更少的处理步骤;简化封装和集成要求;并允许在同一晶片上制造不同尺寸的器件,从而形成一系列针对不同工作电压和频率的晶体管。此外,横向器件有助于热管理,因为通道更靠近表面,从而增强了热量提取。

 

该团队在10 mm×15 mm的半绝缘ß-Ga2O3衬底上制作了他们的器件,该衬底是掺铁的,通过边缘限定薄膜馈电生长形成,并采用新型晶体技术生产。在该衬底上,工程师们用HF清洗,沉积了一层230 nm厚的ß-Ga2O3,掺杂硅,密度约为3.6 x 1017 cm-3。根据霍尔测量,通道中的电荷及其迁移率分别为5.7 x 1012 cm-2和95 cm2 V-1 s-1

 

为了隔离台面并选择性地生长源极和漏极欧姆接触,该团队转向使用 Ni/SiO2 掩模图案的 MOCVD 再生长。使用感应耦合等离子体进行干蚀刻提供了接触凹槽蚀刻,该步骤去除了大约 10-20 nm 的 ß-Ga2O3 层。对于再生长的 n+ 层,硅掺杂约为 2.6 x 1020 cm-3。光刻图案化、剥离、蒸发和退火的组合形成了与再生长层的欧姆源/漏接触。电子束蒸发实现了肖特基门。

 

一些 MESFET 具有栅极-焊盘连接的场板,通过将栅极场板金属电连接到器件台面外部的栅极焊盘而形成。这种架构保护沟道区免受干蚀刻等离子体损坏,这种损坏发生在传统的栅极场板蚀刻工艺流程中。

 

研究人员比较了带有和不带有场板的器件的性能。对于栅源间距为 1 µm、栅长为 2.8 µm、栅漏距离为 2.4 µm 的 MESFET,添加场板后导通电阻从 63.2 Ωmm 降至 55.8 Ωmm .使用这种处理方法生产的结构上的传输线测量的接触电阻仅为 1.4 Ωmm,比上一代器件的相关电阻小十倍,这要归功于对接触凹口的干蚀刻引入了低蚀刻速率。

 

电气测量表明,添加一个场板可将导通电阻降低 14%,将导通电流增加 13%,并将跨导提高 13%。对于栅极至漏极长度为 10 µm 和 20 µm 的器件,击穿电压超过 2.4 kV 和 3 kV 以上。对于前一种器件,横向品质因数为 355 MΩ cm-2

 

Alema 表示,未来的目标包括将击穿电压提高到 10 kV 以上,并开发可提供高输出电流的器件,同时适应超过 1 kV 的阻断电压。

 

参考资料

A.      Bhattacharyya et al. IEEE Electron. 42 1272 Dev. Lett. (2021)

 

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