东芝发布1200V GaN MOS，“上车”在望？

来源：第三代半导体风向

为了使GaN器件保持常关状态，业界开发了共源共栅和p-GaN栅极等结构。但是，东芝认为，这两种结构是“伪常关型器件”。

最近，东芝宣布成功开发了一种“真正的”常关型GaN器件，据介绍，该器件的击穿电压高达1200V，导通电阻可降低20%，而且寿命可达十年。

凹槽型MOSFET

实现1200V耐压、10年寿命

通常，开发GaN MOSFET，需要通过形成深凹槽的栅极结构，来减少在栅电极正下方产生的2DEG。

然而，由于声子散射会导致绝缘层和GaN层之间界面处的凹道迁移率下降到100cm²/(V·s)，所以以前很难实现具有低导通电阻的常关型GaN MOSFET。

为了解决这个问题，东芝开发了一种基于原子层沉积 (ALD) 技术的独特工艺，将其应用于新型凹槽栅GaN MOSFET中。

根据文献，该工艺可以在凹槽栅极结构中选择性地沉积高质量的单晶AlN薄膜，同时在非栅极区域中选择性地沉积非晶AlN 薄膜。

此外，得益于非栅极区的非晶AlN层，即使在高温、高压条件下，东芝新开发的 GaN MOSFET也能实现高器件可靠性。

先说说这个器件的性能：

● 在保持常关操作的同时，凹道迁移率从105 cm²/(V·s)增加到490cm²/(V·s)；

●  击穿电压约为1200 V，满足650V功率器件的要求；

●  可将650V GaN MOSFET的特定导通电阻降低大约20%；

●  在150°C、650 V的漏极电压下的寿命超过10年。

采用ALD工艺

选择性沉积AlN层

下图为形成凹槽栅的工艺流程。首先，在表面沉积氮化硅(SiN)保护层。在沉积SiN之后，通过干法蚀刻凹槽的栅极结构，直到延伸至GaN层中。

然后，采用ALD技术在栅极凹槽和其他地方沉积AlN层。为了匹配AlN和GaN层之间的结晶度，栅极凹槽中的AlN层为单晶层，而SiN层上的其他AlN层沉积为非晶层。

据介绍，东芝已经开发出一种工艺技术，可以选择性地控制上述AlN层的结晶度。

接着，在沉积AlN层之后，使用ALD技术沉积SiO₂栅极绝缘层。然后再形成栅、源、漏电极，最后是层间绝缘层和场板电极。

下图为GaN层与SiO₂层之间以及SiN与SiO₂层之间的AlN层的放大视图。

根据测试结果，当栅极电压为0V时，该GaN MOSFET将漏极电流保持为零，实现常关操作，而且其阈值电压为1.6V。

同时，文献还提到了该器件的凹道迁移率的评估结果。其中，没有AlN层的GaN MOSFET的最大凹道迁移率为105 cm²/(V·s)，而东芝新开发的具有AlN层的GaN MOSFET 的凹道迁移率为490cm²/(V·s)，这主要得益于声子散射的减少。

而且东芝新开发的工艺还降低了栅极特定导通电阻，可将650V GaN MOSFET的特定导通电阻降低大约20%。

在实现常关操作和高凹道迁移率的同时，该GaN MOSFET器件还表现出高可靠性。

根据测试结果，在25°C和150°C两个温度下，该GaN MOSFET 的击穿电压约为 1200 V，足以满足650V功率器件的要求。

而且根据测试结果，在150°C的温度和650V的漏极电压下，该GaN MOSFET器件的寿命估计超过10年。

东芝认为，相比已经投入商用的伪常关GaN HEMT器件，其新结构更具优势。据东芝器件与存储功率器件总工程师正胜隆介绍，东芝计划于2023年推出GaN功率半导体。