近日，中国科大杨树教授和龙世兵教授课题组在垂直型GaN功率晶体管研究方向取得进展，实现了具有高反型沟道迁移率的垂直型GaN沟槽栅MISFET，相关研究成果以“Achieving 205 cm2V-1s-1 Inversion Channel Mobility in 1.4 kV Vertical GaN-on-GaN MISFET With Nitride Gate Dielectric”为题在2024 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM)上做口头报告。IEDM是电子器件领域的国际知名会议，本届会议于2024年12月7日至11日在美国旧金山举行。
千伏级功率器件在光伏、工业电机、电动汽车、医疗供电等领域具有广阔应用前景。垂直型GaN-on-GaN功率器件能够拓展传统GaN器件的电压和功率等级，并具有优异的散热和动态性能。当前，在多数1.2~1.7 kV宽禁带半导体沟槽栅MOSFETs中，因反型沟道迁移率难以提升，沟道电阻通常占器件整体导通电阻的~30%或以上。为了降低器件导通电阻和损耗、提升功率转换效率，需要探索功率MOSFET中反型沟道迁移率的有效提升方法。
研究团队通过优化栅槽刻蚀工艺，实现了低粗糙度、清洁光滑无微沟槽的栅极沟槽，可抑制表面粗糙度散射；同时在栅介质沉积系统中原位生长高质量AlN界面插入层，可将界面陷阱密度降低约一个数量级，可抑制库仑散射。器件结构示意图及沟槽栅MIS界面如图1所示。
图1. 具有AlN界面插入层的垂直型GaN-on-GaN沟槽栅MISFET：(a) 器件结构示意图；(b) 器件栅槽处SEM、TEM及EDS表征结果。
具有AlN界面插入层的垂直型GaN功率MISFET导通电阻~2.0 mΩ·cm2，阈值电压~4.1 V，电流摆幅~1010，击穿电压~1.4 kV。通过AlN界面插入层对沟道载流子散射机制的抑制，无需复杂再生长工艺，即可将沟槽栅反型沟道迁移率从30 cm2/V·s提升至205 cm2/V·s，在当前国际报道的千伏级同类器件中较为领先。器件导通特性和沟道迁移率提取结果如图2所示。
图2. 具有AlN界面插入层的垂直型GaN-on-GaN沟槽栅MISFET：(a) 导通特性；(b) 反型沟道迁移率提取结果。
中国科大微电子学院博士生韩在天为论文第一作者，杨树教授为论文通讯作者，龙世兵教授为合作教授。该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助。
