電力電子產(chǎn)品的銷售額預(yù)計將在這十年及以后飆升。推動這一趨勢的是電動汽車產(chǎn)量的增加和數(shù)據(jù)中心的增長，由于人工智能的采用，數(shù)據(jù)中心的電力需求更加苛刻。

對于使用電力電子的每種應(yīng)用，提高其效率都是有益的。收益可能包括增加行駛里程、減少電費、減少供暖和減少碳足跡。

由于卓越的效率帶來的這些優(yōu)勢，基于寬禁帶半導(dǎo)體的器件越來越多地被采用。到目前為止，基于 SiC 的 MOSFET 創(chuàng)造了最多的收入，其中 MOSFET 因贏得電動汽車部署而成為頭條新聞。

然而，盡管取得了很大的成功，SiC 器件也存在一些重大缺陷。它們包括 SiC 和 SiO 之間的接口₂，這遠非完美。

圖 1.Panasonic 的垂直 JFET 采用 p-GaN 屏蔽結(jié)構(gòu)，由于反向傳輸電容降低，可實現(xiàn)卓越的開關(guān)。

橫向氮化鎵晶體管避免了這些問題，它已經(jīng)通過主導(dǎo)移動設(shè)備快速充電市場而獲得了可觀的銷售額。此類器件可以在大面積、低成本的硅襯底上生長，其優(yōu)點之一是無需摻雜即可實現(xiàn)高水平的遷移率。相反，利用內(nèi)部極化產(chǎn)生二維電子氣體 （2DEG）。

這種橫向器件是氮化鎵晶體管的一個重要里程碑，提供了第一個“殺手級”應(yīng)用——智能手機、平板電腦和筆記本電腦等產(chǎn)品的優(yōu)質(zhì)快速充電裝置。但是，對于這些橫向器件來說，超越這一點絕非易事，因為要達到輸出電流和擊穿電壓的高值，從而達到輸出功率的較高值是非常具有挑戰(zhàn)性的。對于這種器件幾何形狀，高功率的關(guān)鍵設(shè)計考慮因素是電極的面積，以及器件表面的源極和漏極之間的間距。

提供了一條非常有前途的前進道路是一種新的架構(gòu)，涉及從橫向幾何形狀到垂直幾何形狀的轉(zhuǎn)變。在過去幾年中，許多團隊一直在開發(fā)這些更緊湊的器件，源極和漏極被放置在基板的相對兩側(cè)，使設(shè)計工程師能夠擴展晶體管的功率，同時不會顯著增加其占地面積。

我們公司松下是垂直 GaN 晶體管的開拓者之一。我們開發(fā)了一種變體，即高功率垂直 GaN JFET，我們稱之為 VJFET。它是使用 p-GaN/AlGaN/GaN 通道的再生長生產(chǎn)的。

為了使氮化鎵器件在系統(tǒng)級充分發(fā)揮其潛力，它們有望幫助小型化和微調(diào)損耗，它們必須能夠?qū)崿F(xiàn)高速開關(guān)。控制這一關(guān)鍵指標的是反向轉(zhuǎn)移電容（也稱為柵極和漏極之間的電容），它會影響柵極和漏極之間的電容充電所需的鏡像周期。

圖 2.松下制造具有p-GaN屏蔽結(jié)構(gòu)的垂直JFET的工藝。

傳統(tǒng)的 VJFET 受到高反向傳輸電容的阻礙，這與柵極和漏極的相反放置有關(guān)。但我們最近通過對器件進行了突破性的改進來解決這個問題：在原生襯底上生長的常關(guān) GaN VJFET 上添加 p-GaN 屏蔽（有關(guān)其結(jié)構(gòu)的詳細信息，請參見圖 1）。

模擬見解
為了評估和了解該設(shè)備的優(yōu)點和影響，我們模擬了它的性能。這是以傳統(tǒng)的VJFET為基準的，VJFET將常關(guān)工作與低導(dǎo)通電阻相結(jié)合，并在V型槽上形成了重新生長的p-GaN柵極/AlGaN/GaN結(jié)構(gòu)。

我們新型 VJFET 在 V 形槽上戰(zhàn)略性地引入了 p-GaN 屏蔽層，該屏蔽層與源極具有相同的電位。對于該器件，柵極與 p-GaN 屏蔽結(jié)構(gòu)分開在平面上形成。由于 p-GaN 阱和 p-GaN 屏蔽結(jié)構(gòu)在柵極和漏極之間進行了有效的屏蔽，這種設(shè)計的反向傳輸電容遠低于傳統(tǒng)設(shè)計。

對兩種形式的 VJFET 的仿真表明，我們對該晶體管的改進在很寬的漏源電壓范圍內(nèi)顯著降低了反向傳輸電容。在高達 500 V 的電壓范圍內(nèi)，我們的器件具有遠低于皮法拉的反向傳輸電容，而其傳統(tǒng)器件的反向傳輸電容值為數(shù)十皮法。這些仿真還表明，縮短p孔邊緣和p-GaN柵極之間的長度可以進一步降低反向轉(zhuǎn)移電容。

圖 3.p-GaN 屏蔽垂直 JFET 的掃描電子顯微鏡圖像。我們的仿真還表明，對于帶有 p-GaN 屏蔽的 VJFET，AlGaN 勢壘的厚度對常關(guān)作有很強的影響，并且導(dǎo)通電阻較低。

通過對該器件進行建模，我們確定了柵源電壓為 0 V 時導(dǎo)帶的輪廓和 2DEG 的密度。這項工作表明，在柵極區(qū)域，20 nm厚的Al實現(xiàn)了完全耗盡_0.2加語_0.8N 阻擋層。同時，在傾斜區(qū)域，一個 Al_0.2加語_0.880 nm厚的N勢壘能夠形成高密度的2DEG和低通道電阻。

我們的模擬的進一步發(fā)現(xiàn)表明，除了削減反向轉(zhuǎn)移電容外，我們在V型槽中的V形p-GaN屏蔽結(jié)構(gòu)還通過放松p-GaN阱邊緣的電場來抑制斷態(tài)漏電流，該電場存在干法蝕刻過程造成的損壞。這項工作還確定，由于p-GaN屏蔽結(jié)構(gòu)放松了電場，增加p-GaN阱底部和p-GaN屏蔽層底部之間的距離會降低p-GaN孔邊緣的電場強度。然而，這種好處是需要付出代價的：隨著 p-GaN 阱底部與 p-GaN 屏蔽層底部之間的距離延長，p-GaN 屏蔽層底部的電場強度增加。

基于這些發(fā)現(xiàn)，我們得出結(jié)論，需要進行實驗研究來優(yōu)化對氮化鎵阱底部與對氮化鎵屏蔽層底部之間的距離，同時實現(xiàn)低關(guān)斷漏電流。

圖 4.這款 p-GaN 屏蔽垂直 JFET 專為大電流作而設(shè)計，芯片尺寸為 2.9 mm x 2.6 mm。

設(shè)備制造...
制造我們的新型 VJFET 首先將塊狀 GaN 襯底裝入 MOCVD 反應(yīng)器中，并沉積 7 μm 厚的硅摻雜 GaN 漂移層，載流子濃度為 1.3 x 10¹⁶厘米^-3，然后是載流子濃度大于1.0 x 10的鎂摻雜p-GaN孔¹⁹厘米^-3.使用這種異質(zhì)結(jié)構(gòu)，阻斷電壓應(yīng)超過 900 V。

制造過程的后續(xù)步驟包括用電感耦合等離子體在外延片上蝕刻 V 形凹槽，并重新生長 Al_0.2加語_0.8N 和 GaN。我們改變了 Al 的厚度_0.2加語_0.8N 阻擋層從 50 nm 到 80 nm，并在柵極下方采用 20 nm 的三元厚度，通過電感耦合等離子體蝕刻進行部分去除來實現(xiàn)。

為了完成VJFET的制造，我們添加了p-GaN外延層，并選擇性地蝕刻它以形成柵極和p-屏蔽結(jié)構(gòu)。然后，我們對鋁進行了選擇性蝕刻_0.2加語_0.8N/GaN/p-GaN 孔形成源電極。最終器件在 GaN 襯底背面具有 Ti/Al 源電極、Pd/Au 柵極、p-GaN 屏蔽電極和 Ti/Al/Ti/Pt/Au 電極（制造過程概述見圖 2，我們設(shè)備的掃描電子顯微鏡圖像見圖 3）。

圖 5.p-GaN 屏蔽垂直 JFET 的導(dǎo)通狀態(tài)（左）和關(guān)閉狀態(tài)（右）直流輸出特性。

...和表征
我們的晶體管的電氣測量，其有效面積為 0.002 毫米²，顯示閾值電壓為 1.5 V。導(dǎo)通電阻隨勢壘層厚度的增加而減小，對于80 nm厚度，導(dǎo)通電阻和面積的乘積為1.23 mΩ cm².漏源電壓范圍內(nèi)的關(guān)斷漏電流圖表明，當(dāng)p-GaN阱底部與p-GaN屏蔽層底部之間的距離為200 nm，而不是0 nm或400 nm時，泄漏要小得多。對于 200 nm 的距離，漏源電壓對漏電流影響很小，漏電流約為每平方厘米數(shù)十微安。

圖6.p-GaN 屏蔽可大幅降低反向傳輸電容。

我們還評估了一款專為大電流工作而設(shè)計的 2.9 mm x 2.6 mm p 屏蔽 VJFET（見圖 4）。該器件的最大漏極電流為 57 A，導(dǎo)通電阻為 58.6 mΩ，擊穿電壓為 972 V（見圖 5）。令人鼓舞的是，在漏源電壓為 500 V 時，反向傳輸電容僅為 2.92 pF，不到傳統(tǒng)同類產(chǎn)品值的八分之一（見圖 6）。此外，由于柵極面積減小，輸入電容更低。

我們的 p 屏蔽 VFJET 的一個關(guān)鍵品質(zhì)因數(shù)是其導(dǎo)通電阻和反向傳輸電容的乘積。該數(shù)字僅為 171 mΩ pF，低于市售 SiC MOSFET（見圖 7）。

圖7.使用數(shù)據(jù)手冊中提供的數(shù)據(jù)，將松下 p-GaN 屏蔽垂直 JFET 與傳統(tǒng)同類產(chǎn)品和 650 V SiC MOSFET 進行基準測試。
我們
使用電感負載研究了 p 屏蔽 VJFET 在 400 V 和 20 A 下的開關(guān)性能。導(dǎo)通值為 14.3 V ns^-1和 76.7 V ns^-1分別用于我們的傳統(tǒng)和 p 屏蔽 VJFET。與傳統(tǒng)設(shè)備相比，導(dǎo)通損耗降低了 75%。

基于廣泛的結(jié)果組合，我們可以得出結(jié)論，我們的新型 VJFET 是服務(wù)于需要高功率和高速的應(yīng)用的有前途的候選者。