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创新性“鱼鳍”结构实现纵向氮化镓晶体管

  电压突破横向器件的600V达到1200V
  在电气电子工程师协会的国际电子器件会议(IEDM),来自美国麻省理工学院(MIT)、英国晶圆和衬底制造商IQE、美国哥伦比亚大学、美国IBM公司、新加坡MIT研究和技术联盟的研究人员展现了新的氮化镓(GaN)器件设计,使器件的工作电压可达到1200V,远超过现有商用GaN器件的600V上限。
 
  核心原理
  论文的高级作者、MIT电子工程和计算科学教授、MIT微系统技术实验室成员的Tomas Palacios说:“目前商用的所有器件都是横向器件,整个器件都是在GaN晶圆表面制造,这对于笔记本电脑用充电器等低功率应用有好处,但在中等功率和大功率应用中,纵向器件则更胜一筹。这些纵向器件的电流,不是流经半导体的表面,而是流过半导体晶圆,纵向器件在控制电压和电流方面要好得多。”
 
  首先,电流流入纵向器件的一个表面,然后从另一面流出,这样就有更多的空间用于连接输入和输出线,支持更高的电流负载。
 
  其次,在横向器件中,所有的电流都流经接近表面的一狭窄材料中。 Palacios说:“我们所说的该狭窄材料的厚度只有50nm,所有的电流流经于此,所有的热量也都产生于此,该区域会变得非常非常热。在纵向器件中,电流流经整个晶圆,热量的消散会更加均衡。”
 
  面临挑战
  尽管纵向器件的优势众所周知,但使用GaN制造纵向器件却非常困难。为了实现能够有效开关的器件,流经半导体的电流需要限制在一个非常小的区域内,这样栅电场才能施加控制。在过去,研究人员试图通过在GaN中嵌入物理屏障来将指导电流在栅极下方的通道中流过,从而构建出纵向器件。但是屏障通常需由昂贵、难以制造且性质不稳定的材料制成,而且,在不影响晶体管电性能的前提下将该屏障与GaN集成也被证实具有挑战性。
 
  核心突破
  Palacios和其团队采用了简单但有效的方法。他们使用了一个更窄的器件。他们的纵向GaN晶体管顶部有一个像刀片一样的鱼鳍。在鱼鳍的两侧都是电接触,共同组成“栅极”。电流通过位于鱼鳍顶部的另一个接触点进入晶体管,然后从底部流出器件。狭窄的鱼鳍保证了栅电极将能够对晶体管进行开关。
 
  总结
  Palacios说:“与其在同一晶圆中使用多种材料来限制电流,不如通过移除我们不想让电流流经区域的材料来从几何意义上限制电流。与其在传统纵向晶体管中为电流制造复杂的迷宫型道路,不如完全改变晶体管的几何结构。”
 
  应用前景
  1200V的电压处理能力已可满足电动汽车的使用,但研究人员表示此次进展只是在实验室制造的首个器件原型,由于新的器件使用的是与现有GaN功率器件完全不同的设计,该器件的工作电压未来有望提升至3300-5000V,使得GaN的效率足以满足在电网中的应用。

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