大电流垂直金刚石MOSFET

日本早稻田大学报告了用金刚石制造的垂直金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET），其最大漏极电流可达0.7A [Nobutaka Oi et al, IEEE Electron Device Letters, published online 7 August 2024]。该研究团队称，在迄今为止报告的金刚石FET中，0.7A的漏极电流是最大的。共有五名研究人员参与这项研究，其中两名还隶属于日本Power Diamond Systems公司。

金刚石FET器件有望成为碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）和氧化镓（Ga2O3）材料系统制成的n沟道器件的p型补充器件，其中SiC、GaN和Ga2O3材料系统正在开发中，以用于电力电子应用。补充MOSFET可以使用CMOS电路设计，从而实现更高速的运行和更小的栅极驱动要求。在电力领域，高效补充逆变器适用于可再生能源和储存能源的直流/交流转换。

适合电力应用的金刚石材料特性包括高击穿场（10MV/cm）、高热导率（22W/cm-K）和高空穴迁移率（2000-3800cm2/V-s）。

利用微波等离子体化学气相沉积（MPCVD），在3mmx3mmx0.3mm的p+型掺硼金刚石衬底上添加了0.5μm未掺杂金刚石层和1.0μm n型金刚石层两层外延金刚石层（图1）。碳来自甲烷（CH4）和二氧化碳（CO2）的混合物。n型氮掺杂来自氮气（N2）。

图1：（a）栅极宽度为5mm的器件的光学显微镜图像和特写（S：源极，G：栅极）。（b）虚线区域的横截面示意图。

该垂直FET结构通过电感耦合等离子体反应离子刻蚀（ICP-RIE）、MPCVD金刚石再生长、源电极的电子束蒸发、针对氢终止和器件隔离的等离子体处理、450°C原子层沉积（ALD）200nm氧化铝（Al2O3）、四甲基氢氧化铵（TMAH）Al2O3刻蚀、背面漏极接触的双离子束溅射、栅极和源极接触垫片的热蒸发而制成。

ICP-RIE的刻蚀深度为2.2μm，由此形成了60μm宽的沟槽。沟槽长度为5μm。垂直沟道包含在再生金刚石层和Al2O3层的界面附近形成的二维空穴气（2DHG）。

源电极由钛/铂/金（Ti/Pt/Au）组成，退火后形成碳化钛（TiC）作为金刚石源极接触。漏极为钛/金。栅极和源极的垫片为铝。

栅极长度（LG）为4μm。栅极宽度，即沟槽的周长，以毫米为单位变化。栅极与源极（LSG）和沟槽（LGT）之间的距离分别为2μm和3μm。

在-20V漏极偏压和-20V栅极电势下，栅极宽度为10mm的器件的最大漏极电流为-0.7A。再生层的厚度为200nm（即器件类型“A”）。

导通/关断电流比约为9.5个数量级，栅极电势为35V时，关断电流达到该团队设备的测量极限（约10-11A）。

漏极偏压为-1V时，阈值电压为+21.2V，因此该器件在常开（栅极电势为0V时）耗尽模式下工作。许多电力应用都优先采用常关模式。

另一个A类器件的栅极宽度为0.1mm，关断状态（+30V VGS）击穿电压达到225V。漏极电流小于10-10A，几乎直到击穿点。

研究团队评论道：“工艺的非一致性导致器件特性分布不均，因此栅极宽度较大的器件的击穿电压有望降低。”

对于栅极宽度较大的器件，通过栅极宽度归一化的漏极电流密度趋于下降（图2）。此外，对于栅极宽度为1mm的所测FET，再生层较厚（350nm）器件（器件类型“B”）的漏极电流要高30%左右。

图2：（a）-10V VDS和-20V VGS时，漏极电流密度（ID）与栅极宽度（WG）的相对关系。（b）阈值电压与栅极宽度的关系。

研究人员评论道：“漏极电流密度随着栅极宽度的增加而降低，这一趋势表明存在额外的电阻，如衬底电阻和源电极电阻，后者有望发挥更加重要的作用。”

对于栅极宽度大于2mm的器件，测量是在脉冲模式下进行的，旨在避免自热效应。

B系列器件的阈值电压较大，意味着它们更深入耗尽模式的范围。栅极宽度为2mm时，A类器件和B类器件的比导通电阻分别为48.4m Ω-cm2和36.7m Ω-cm2。从总有源区中减去源电极区的影响后，两类器件的比导通电阻分别降至17.7m Ω-cm2和13.8m Ω-cm2。研究团队建议，可以通过使用层间电介质并减小器件尺寸来改善电极接触电阻。

图3：（a）VGS为-20V至+36V时，两个相连B类器件的ID-VDS脉冲模式特性。（b）-20V VDS和-20V VGS时，单器件漏极电流和双器件漏极电流的关系。

为了获得超过1A的漏极电流，研究人员将两个器件相连（图3）。对于栅极宽度为10mm的B类器件，两个器件的导通电阻为12.7 Ω，仅为单个FET导通电阻的一半多一点，就能达到-1.5A的漏极电流。A类器件的最大漏极电流为-1.3A。

来源：雅时化合物半导体

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