Amélioration du facteur de mérite de Baliga dans un FET vertical GaN à nano-piliers innovant avec canal 2DEG et substrat structuré

Résumé

Un nouveau transistor à effet de champ (FET) vertical GaN en mode enhancement incorporant un gaz d'électrons bidimensionnel (2DEG) et un motif de substrat (SP) est présenté. En ajustant la largeur et la hauteur du SP, le dispositif obtient une résistance à l'état passant (R_ON) plus faible tout en maintenant une tension de claquage (BV) élevée. Des simulations ATLAS calibrées expérimentalement montrent qu'un SP de 700 nm de long et 4,6 µm de large permet une augmentation six fois supérieure du facteur de mérite de Baliga (BFOM = BV²/R_ON) par rapport à un homologue non structuré, sans sacrifier la surface du dispositif. L'encombrement nanoscopique du pilier et du SP permet une intégration à haute densité, positionnant cette architecture comme un candidat solide pour l'électronique de puissance future.

Contexte

Les semiconducteurs à large bande interdite tels que ZnO, In₂O₃, SiC et GaN ont attiré une attention considérable en raison de leurs hautes tensions de claquage et de leur stabilité thermique supérieure. En particulier, le HEMT (transistor à haute mobilité d'électrons) latéral AlGaN/GaN est un candidat de premier plan pour remplacer les dispositifs Si dans les applications de puissance et RF. De nombreuses stratégies — notamment les caps de type p, l'implantation d'ions fluor, les barrières minces, les conceptions à double canal et les grilles à couplage de champ — ont été explorées pour réaliser des HEMTs en mode enhancement qui simplifient les circuits de commande. Cependant, ces approches font face à des défis tels que la non-uniformité de la tension de seuil, le BFOM limité et l'utilisation excessive de la surface de puce. Le compromis entre la longueur de dérive et la BV entrave davantage la mise à l'échelle du dispositif.

Les FETs verticaux GaN (VFETs) atténuent bon nombre de ces problèmes en exploitant le canal vertical complet et en offrant une opération en mode enhancement plus aisée. Des études récentes se sont concentrées sur l'augmentation de la BV tout en réduisant R_ON grâce à diverses innovations structurelles, pourtant l'absence d'un 2DEG à haute mobilité entraîne souvent des résistances plus élevées, limitant l'optimisation du BFOM.

Notre travail introduit un FET vertical GaN qui intègre simultanément un canal 2DEG et un substrat structuré. Cette combinaison équilibre un faible R_ON avec une BV élevée, tandis que le pilier nanoscopique et le SP permettent une intégration dense des dispositifs.

Méthode

Le dispositif est fabriqué sur une tranche Al_0.23GaN/GaN standard, avec un substrat de type n fortement dopé servant de drain. Les épaisseurs de couches sont : SiN (105 nm), AlGaN (20 nm) et GaN (5 µm). Un tampon n-GaN à 2×10¹⁶ cm⁻³ et un cap p-GaN à 2×10¹⁷ cm⁻³ forment le tampon et le canal composite, respectivement. Une fine couche AlGaN induit le 2DEG, et le SP — généralement de l'Al₂O₃ — est déposé sur le substrat.

Amélioration du facteur de mérite de Baliga dans un FET vertical GaN à nano-piliers innovant avec canal 2DEG et substrat structuré

La séquence de fabrication est simple : (1) croissance épitaxiale du substrat de conduction et de la couche SP ; (2) gravure sélective du motif SP ; (3) dépôt et polissage du tampon n-GaN ; (4) dépôt de la barrière AlGaN et du cap p-GaN ; (5) formation des électrodes et passivation.

Les simulations ATLAS sont calibrées sur des données expérimentales provenant d'un HEMT en mode enhancement avec cap p-GaN. Les paramètres du dispositif sont listés dans le Tableau 1, et les caractéristiques des pièges d'interface à la frontière SP/GaN sont dérivées de mesures de capacité. Les charges de polarisation sont calculées par une approche d'ajustement quadratique.

Mécanisme physique

À l'état passant, le SP-VFET présente un chemin hautement conducteur grâce au 2DEG, tandis que le canal vertical étroit limite la conductance globale. Le 2DEG à l'interface AlGaN/GaN assure le flux de courant latéral, compensant partiellement la résistance verticale. Les dispositifs dépourvus de canal 2DEG subissent une résistance nettement plus élevée.

Les simulations montrent que la longueur du cap p-GaN a un impact minimal sur le champ électrique maximal jusqu'à ce qu'elle dépasse 700 nm, auquel point le cap recouvre toute la surface. Le pic de champ reste au coin du p-GaN quelle que soit la longueur, mais un cap plus long aplatit la distribution du champ, augmentant légèrement la résistance en raison de l'appauvrissement du 2DEG.

Un modèle analytique de résistance à l'état passant (Fig. 4) montre que le canal 2DEG domine la conductance ; la résistance du chemin vertical devient significative seulement lorsque la longueur du SP augmente. La résistance à l'état passant augmente de façon hyperbolique avec la longueur du SP mais reste largement insensible à la hauteur du SP en dessous de 4,7 µm, confirmant la résilience du 2DEG.

À l'état bloqué, les pièges d'interface chargés négativement du SP redistribuent le champ électrique sous le cap p-GaN, réduisant les pics de champ et élargissant la région d'appauvrissement. Cette redistribution améliore la tension de claquage n'augmentant que modestement R_ON grâce à la compensation du 2DEG. Par conséquent, le BFOM fluctue avec les dimensions du SP.

Résultats et discussion

Les caractéristiques de transfert et de sortie pour les dispositifs sans SP (Fig. 7) montrent une dépendance négligeable vis-à-vis de la longueur du cap p-GaN, confirmant le rôle du 2DEG dans le maintien d'une conductance constante. La longueur minimale du cap est de 400 nm pour éviter un encombrement excessif du champ près de la grille.

Pour les SP-VFETs (Fig. 8), la résistance à l'état passant reste constante pour des hauteurs de SP inférieures à 4,7 µm mais augmente avec la longueur du SP, conformément au rétrécissement du canal vertical. Le canal 2DEG reste largement insensible aux hauteurs modérées du SP ; seulement lorsque le SP est adjacent au 2DEG, la charge négative l'appauvrit significativement.

Les cartes de densité de courant (Fig. 9) confirment que le SP rétrécit le canal vertical, tandis que le courant latéral est principalement porté par le 2DEG. La densité de courant globale change peu avec la hauteur du SP.

Les valeurs extraites de R_ON et BV (Fig. 10a) révèlent une augmentation hyperbolique de la résistance avec la longueur du SP, tandis que la BV augmente jusqu'à ce que la longueur du SP atteigne 700 nm. Le BFOM culmine à 125 MW cm⁻² pour une longueur de SP de 700 nm et une hauteur de 4,6 µm, représentant une amélioration six fois supérieure par rapport au dispositif non structuré.

L'amélioration de la BV provient de la capacité du SP à redistribuer le champ électrique, atténuant les concentrations de pic sous le cap p-GaN. Les pièges d'interface chargés négativement créent un champ additionnel qui contrebalance le champ induit par l'appauvrissement, élargissant ainsi la région d'appauvrissement et réduisant les chemins de fuite. Les cartes de champ électrique simulées (Fig. 12) et les analyses de lignes de coupe (Fig. 13) illustrent comment l'augmentation de la longueur du SP aplatit le champ et le concentre au bord du SP, qui possède un champ critique plus élevé.

Conclusion

Cette étude démontre un nouveau FET vertical GaN qui exploite un canal 2DEG et un motif de substrat nanoscopique pour améliorer markedly le BFOM. En atténuant le pic de champ électrique sous le cap p-GaN et en créant une nouvelle région à champ élevé au travers du SP, le dispositif atteint une amélioration six fois supérieure du BFOM pour une longueur de SP de 700 nm et une hauteur de 4,6 µm. La conception compacte du pilier et l'encombrement minimal du SP rendent l'architecture hautement adaptée aux applications de puissance intégrées denses.

Abréviations

n_A: Concentration de dopage du GaN de type p
n_D: Concentration de dopage du GaN de type n
2DEG: Gaz d'électrons bidimensionnel
Al_0.23GaN: Nitrure d'aluminium gallium (23 % Al)
Al₂O₃: Oxyde d'aluminium
BFOM: Facteur de mérite de Baliga
SP: Motif de substrat
E‑field: Champ électrique
FET: Transistor à effet de champ
GaN: Nitrure de gallium
HEMT: Transistor à haute mobilité d'électrons
H_G: Hauteur de grille
H_W: Hauteur du motif de substrat
L_D: Longueur du dispositif
L_G: Longueur de grille
L_P: Longueur du cap p-GaN
L_W: Longueur du motif de substrat
SiN: Nitrure de silicium
SP‑VFET: Transistor à effet de champ vertical avec motif de substrat
W_D: Profondeur du dispositif
σ_p: Charge de polarisation

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