麻省理工学院：世界首个光控垂直GaN finFET

本文转自：IEEE Electron Device Letters (Volume: 45, Issue: 5, May 2024)

作者：Jung-Han Hsia; Joshua Andrew Perozek; Tomás Palacios

本研究提出了一种新型的光控垂直 GaN finFET，可通过低功率紫外光（UV）直接触发导通。该器件由一个常关型垂直 GaN finFET 构成，并配有一个光学透明的照射窗口。当受到 365 纳米波长的紫外光照射时，耗尽的鳍片沟道中会产生电子-空穴对，从而使器件导通。该光控垂直 finFET 的工作原理首先通过仿真验证，在 30 mW/cm2 的照射强度下，预测可实现 5 个数量级的开关电流比。随后通过实验验证了该器件的性能，在 VDS = 3 V 条件下，仅需微瓦级紫外 LED 光功率即可触发超过 90 A/cm2 的导通电流密度。尽管器件存在较高的暗电流，但由于高度缩小的鳍片结构中强烈的光伏效应，其最大光响应度超过 105A/W。这些初步结果表明，该器件在未来高功率系统中具有显著提升电磁干扰（EMI）抗扰性、简化系统设计、降低成本并提高可靠性的潜力。

01 引言

近年来，消费电子、电动汽车以及数据中心的快速发展显著提升了电力需求。电网中的电力传输与转换过程需要大量高效的功率变换器。得益于宽禁带半导体技术的进步，已实现具备更高击穿电压的功率器件 [1], [2]。然而，在中高压（5–50 kV）应用中，通常需要堆叠多个功率模块以满足所需的阻断电压。电触发器件的堆叠通常需要复杂的电路设计，并因电磁干扰（EMI）带来可靠性问题 [3], [4]。

光触发 GaN 功率器件有望解决这些系统级限制，可显著简化所需的栅极驱动器设计，并减轻 EMI 问题 [5], [6]。目前已有多种方法用于实现光控功率开关，例如光电导半导体开关（PCSS）和光触发晶闸管 [7]–[10]。然而，PCSS 的光增益较低，限制了其性能。对于基于 GaN 的 PCSS，通常需要高功率紫外激光器以产生足够的导通电流，这大幅提升了系统成本并影响可靠性。另一方面，晶闸管控制困难，导致电路设计复杂。为了降低未来光子功率系统的成本与复杂性，亟需具备高光增益、高击穿电压和快速响应的新型器件结构。

图1. 对比：

(a) 传统电触发模块，需复杂的高边驱动器且存在显著电磁干扰（EMI）；

(b) 所提出的光触发设计，具备简化的级联结构与更优的 EMI 抑制性能。

本研究提出了一种新型光触发 GaN 晶体管，基于垂直鳍式场效应晶体管（finFET）架构，该架构此前已在高功率开关中展现出卓越性能 [11], [12]。该器件不依赖电驱动使沟道进入累积态，而是通过紫外光照射产生电子-空穴对来实现导通。器件的物理机制与工作原理通过 TCAD 仿真进行了探讨与验证。此外，光控 GaN finFET 器件已通过实验验证，其光响应度超过 105A/W，在 VDS = 3 V 条件下，仅需微瓦级紫外照射即可实现超过 90 A/cm2 的导通电流密度。

02 器件设计与工作原理

图2. 工艺流程、外延结构堆叠以及器件示意图。

展示了器件的三维结构示意图，并在两个区域给出了二维剖面图：一个是非透明、带焊盘接触的区域（剖切线1），另一个是透明光学窗口区域（剖切线2）。

所提出的器件包含两个电接触端（源极和漏极）以及一个用于沟道照射的光学端口。图 2 展示了该器件的结构示意图。在关断状态下，该光触发晶体管的工作方式类似于常关型电触发 finFET，其栅极端接地并连接至源极 [11], [12]。器件的击穿电压由单极漂移区设计决定 [13]。为确保常关型特性，采用高功函数金属（如 Ni），以使内建电势（φbi）足够大，从而耗尽沟道载流子。在关断状态下，理想的阈值电压可按以下公式计算：

其中 为鳍片宽度，为沟道掺杂浓度。为了使器件导通，采用 365 nm 紫外光照射 GaN 材料以产生载流子。通过交叉指状探针垫和超薄栅极金属（<10 nm），光窗区域的鳍片沟道能够吸收光子并产生电子-空穴对 [14], [15]。与传统 PCSS 相比，鳍片结构具有更高的表面积与体积比，有利于光照吸收 [8]。由于高度缩小的鳍片沟道中存在强内建电势，电子被推向鳍片中心，并由垂直的 VDS 电压提取，形成直接光电流。另一方面，横向电场 Ex 将空穴推向鳍片侧壁（见图 3）。

图3. 关断状态与开通状态下沟道区域的能带图。

这些空穴能够屏蔽沟道的内建电势，从而降低器件的阈值电压，其变化量为：

其中Δ为过剩空穴浓度，为载流子生成率，abs 为 GaN 的吸收深度。通过器件设计，使其在关断（暗态）时具有正阈值电压，在导通（亮态）时具有负阈值电压，可实现显著的光调制能力。图4展示了鳍片宽度为 100 nm、栅氧化层厚度为 10 nm 的器件仿真结果。通过 Silvaco ATLAS 器件仿真器中的光线追踪模块，在典型 UV-LED 照射强度（30 mW/cm2）下模拟器件的导通电流密度。仿真结果显示开关电流比超过 5 个数量级，验证了所提出器件的工作原理。

图4. MOS-finFET 的 Silvaco TCAD 仿真结果：

(a) 暗态下的漏电流密度；

(b) 在照射强度为 30 mW/cm2 条件下的导通电流密度。

03 器件制造

准垂直结构的光控鳍式晶体管是在采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）方法生长的GaN-on-sapphire衬底上制备的。外延结构与工艺流程如图2所示。制造流程首先通过电子束光刻定义鳍结构。按照公式（1）的设计原则，制备了不同鳍宽的器件（75 nm、100 nm 和 150 nm），以确保在暗态下鳍沟道完全耗尽。随后通过光刻定义漂移区，接着进行漏极开口、欧姆金属沉积以及Al₂O₃介质层沉积。使用倾斜电子束蒸发方法，在鳍侧壁上沉积了5 nm厚的半透明镍层。这种超薄金属层已广泛用于太阳能电池中的透明电极应用 [17]。通过紫外-可见光谱测量，该5 nm金属层在波长λ = 365 nm处的透过率达到60%。图5(a)展示了源极和栅极金属沉积后的鳍阵列的扫描电子显微镜（SEM）图像。器件随后采用SiO₂进行平面化处理，接着进行台面隔离、通孔开口以及探针垫形成。图5(b)和(c)展示了最终器件及鳍沟道的截面图像。更多制造细节可参考文献 [18]、[19] 和 [20]。

图5.器件制备图像：

(a) 带有欧姆接触和栅极接触鳍形通道的扫描电子显微镜（SEM）图像；

(b) 源极接触鳍形通道（75 nm 鳍形器件）的聚焦离子束-扫描电子显微镜（FIB-SEM）截面图像；

(c) 最终器件的光学显微图。

04 结果与讨论

图6. 器件电学测试结果：

(a)–(c) 不同鳍宽（75 nm、100 nm 和 150 nm）器件的总电流密度（左）与光生电流密度（右）；

(d) 75 nm 鳍形器件的光响应度，拟合得到 α ≈ 0.25；

(e) 在 VDS = 3 V、Popt ≈ 1 μW 条件下的瞬态响应；

(f) 不同鳍宽器件的光调制特性，Ron 于 VDS = 2 V 提取。

器件采用 Agilent B1505 半导体参数分析仪进行测量。光信号由一束准直的、光纤耦合的365 nm紫外LED提供，其最大照射强度约为17 mW/cm2。图6(a)–(c)展示了不同鳍宽器件的输出特性。观察到较高的暗电流，表明尽管鳍沟道较窄，器件仍表现出常开特性。阈值电压为负的原因在于 Al₂O₃/GaN界面及氧化层中的正电荷（Qeff），它将公式（1）中的理想暗态阈值电压 Vth向负方向偏移，偏移量为 −(Qeff/Cox)。当 Qeff超过 5 × 1012 cm-2 时，无论鳍宽如何，器件都会变为常开型。后续研究需制备鳍形电容器以定量分析这些非理想电荷 [21], [22]。可通过采用等离子增强原子层沉积（PEALD） [23], [24] 以及介质层退火处理 [25], [26] 来降低这些正电荷。尽管器件存在较高的暗电流，但在照射功率不足1 μW的条件下，仍获得了约30 A/cm2的大光电流。如图6(d)所示，器件展现出超过105 A/W的高光响应度，且随着漏极电压 VDS 的增加而提升，这是由于源漏之间的载流子传输时间缩短所致 [27]。

为理解高光响应度的来源，需要分析器件的增益机制。第一种增益来源是由光生电子电流引起的直接光电导效应。假设空穴电流可忽略，则该器件可建模为一个等效电路，其中漏极电压源 VDS 与两个串联电阻连接：一个光敏沟道电阻 Rch 和一个漂移电阻 Rdr。通过一阶近似计算，光电导响应度 Rpc 可表示为：

其中，teff 为有效载流子寿命，Lg 为沟道长度，P为光照射功率。有效载流子寿命 teff 考虑了诸如外电场和陷阱态等外在因素，这些因素被认为是光导体中所观察到高增益现象的根源 [27], [28]。

第二种增益来源是空穴的光伏效应。光生空穴滞留在鳍侧壁处，可有效屏蔽器件的内建偏置，从而降低阈值电压，如公式（2）所示。随着光功率 P 的增加，内建电场减弱，光伏效应趋于饱和。因此，光伏效应所导致的响应度 Rpv 与光功率 P 的关系可表示为：

其中 α 是一个拟合参数，用于表征光生载流子生成与复合速率 [16]。较小的 α 值表示更强的光伏效应，而当 α = 1 时则对应纯光导行为。通过提取图 6(b) 中的斜率，得到 α 系数约为 0.25，表明器件所表现出的高响应度可归因于空穴屏蔽效应所引起的强光伏效应。

光伏型器件设计中的一个关键考量是增益与频率之间的权衡。尽管较长的空穴复合寿命可实现更高的光学增益，但会导致器件关断性能下降。器件的瞬态响应如图 6(e) 所示。当紫外光关闭时，观察到持续的光电流（Jph）。从关断过程提取出的时间常数超过 10 秒。器件关断延迟归因于外延层及界面相关的深能级陷阱 [25], [29], [30]。由于空间电荷区处于耗尽状态，光生载流子在空间上发生分离。因此，陷阱态载流子难以复合，导致持续光电流的产生 [31]。从鳍宽相关的瞬态测量（图 6(e)）中观察到相似的时间常数，表明界面陷阱占主导作用。为降低持续光电流，一种可能的解决方案是消除鳍通道中的准中性区，使横向内建电场贯穿整个鳍结构，从而减小载流子的空间分离。需注意，更快的开关响应将以光伏增益下降为代价，这是由于载流子复合速率增加所致。未来工作将进一步研究增益与频率的权衡，例如通过引入独立栅极端子以调控横向电场。

最后，鳍宽相关的光调制特性如图 6(f) 所示。调制强度可通过图像曲率来表征。随着鳍宽增加，暗电流升高，导致光调制能力下降。横向载流子输运至漏极接触区也限制了器件的导通电阻。为评估器件击穿特性，需通过抑制界面电荷或采用具有更高肖特基势垒的栅极金属来实现更高的关断电阻 Roff [32]。表 I 对比了所提出器件与其他宽禁带光控功率器件的性能指标。所提出的器件在实现高导通电流与低成本光源驱动方面展现出良好潜力。未来工作将致力于开发完全垂直结构的器件，以提升开关比与响应速度。

表1. 所提FinFET器件与其他宽禁带光控器件的性能对比分析

05 结论

本文提出并验证了一种光控垂直 GaN 功率鳍式场效应晶体管（finFET），并通过仿真与实验进行了系统研究。TCAD 仿真结果显示，在 30 mW/cm2 的照射强度下，器件实现了高达五个数量级的开关电流比。实测器件的最大光响应度超过 10⁵ A/W，展现出优异的光电转换性能。未来的研究需进一步开展定量分析，提升实验器件的开关比，并评估其击穿性能。同时，还需探讨增益与频率之间的权衡，以优化器件在功率开关应用中的响应速度。

参考资料

1. M. Meneghini, C. De Santi, I. Abid, M. Buffolo, M. Cioni, R. A. Khadar, L. Nela, N. Zagni, A. Chini, F. Medjdoub, G. Meneghesso, G. Verzellesi, E. Zanoni, and E. Matioli, “GaN-based power devices: Physics, reliability, and perspectives,” J. Appl. Phys., vol. 130, no. 18, pp. 1–83, Nov. 2021, doi: 10.1063/5.0061354.
2. L. F. S. Alves, R. C. M. Gomes, P. Lefranc, R. De A. Pegado, P.-O. Jeannin, B. A. Luciano, and F. V. Rocha, “SIC power devices in power electronics: An overview,” in Proc. Brazilian Power Electron. Conf. (COBEP), Nov. 2017, pp. 1–8, doi: 10.1109/COBEP.2017.8257396.
3. X. Song, A. Q. Huang, L. Zhang, P. Liu, and X. Ni, “15 kV/40A FREEDM super-cascode: A cost effective SiC high voltage and high frequency power switch,” in Proc. IEEE Energy Convers. Congr. Expo. (ECCE), Sep. 2016, pp. 1–8, doi: 10.1109/ECCE.2016.7854643.
4. L. Gill, L. A. G. Rodriguez, J. Mueller, and J. Neely, “A comparative study of SiC JFET super-cascode topologies,” in Proc. IEEE Energy Convers. Congr. Expo. (ECCE), Oct. 2021, pp. 1741–1748, doi: 10.1109/ECCE47101.2021.9595065.
5. S. K. Mazumder, “An overview of photonic power electronic devices,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 31, no. 9, pp. 6562–6574, Sep. 2016, doi: 10.1109/TPEL.2015.2500903.
6. A. Mojab, Z. Hemmat, H. Riazmontazer, and A. Rahnamaee, “Introducing optical cascode GaN HEMT,” IEEE Trans. Electron Devices, vol. 64, no. 3, pp. 796–804, Mar. 2017, doi: 10.1109/TED.2017.2657498.
7. J. H. Leach, R. Metzger, E. A. Preble, and K. R. Evans, “High voltage bulk GaN-based photoconductive switches for pulsed power applications,” Proc. SPIE, vol. 8625, Mar. 2013, Art. no. 86251Z, doi: 10.1117/12.2005548.
8. A. D. Koehler, T. J. Anderson, A. Khachatrian, A. Nath, M. J. Tadjer, S. P. Buchner, K. D. Hobart, and F. J. Kub, “High voltage GaN lateral photoconductive semiconductor switches,” ECS J. Solid State Sci. Technol., vol. 6, no. 11, pp. 3099–3102, Oct. 2017, doi: 10.1149/2.0231711jss.
9. H. Mitlehner, F. Pfirsch, and H. J. Schulze, “A novel 8 KV light-triggered thyristor with overvoltage self protection,” in Proc. 2nd Int. Symp. Power Semiconductor Devices, Apr. 1990, pp. 289–294, doi: 10.1109/ISPSD.1990.991098.
10. T. Sarkar and S. K. Mazumder, “Epitaxial design of a direct optically controlled GaAs/AlGaAs-based heterostructure lateral superjunction power device for fast repetitive switching,” IEEE Trans. Electron Devices, vol. 54, no. 3, pp. 589–600, Mar. 2007, doi: 10.1109/TED.2006.890231.
11. M. Sun, Y. Zhang, X. Gao, and T. Palacios, “High-performance GaN vertical fin power transistors on bulk GaN substrates,” IEEE Electron Device Lett., vol. 38, no. 4, pp. 509–512, Apr. 2017, doi: 10.1109/LED.2017.2670925.
12. Y. Zhang, M. Sun, J. Perozek, Z. Liu, A. Zubair, D. Piedra, N. Chowdhury, X. Gao, K. Shepard, and T. Palacios, “Large-area 1.2-kV GaN vertical power FinFETs with a record switching figure of merit,” IEEE Electron Device Lett., vol. 40, no. 1, pp. 75–78, Jan. 2019, doi: 10.1109/LED.2018.2880306.
13. B. J. Baliga, Gallium Nitride and Silicon Carbide Power Devices. Singapore : World Scientific, 2017.
14. S. Giurgola, A. Rodriguez, L. Martinez, P. Vergani, F. Lucchi, S. Benchabane, and V. Pruneri, “Ultra thin nickel transparent electrodes,” J. Mater. Sci., Mater. Electron., vol. 20, no. 1, pp. 181–184, Jan. 2009, doi: 10.1007/s10854-007-9519-7.
15. G. DeLuca, A. N. Jumabekov, Y. Hu, A. N. Simonov, J. Lu, B. Tan, G. W. P. Adhyaksa, E. C. Garnett, E. Reichmanis, A. S. R. Chesman, and U. Bach, “Transparent quasi-interdigitated electrodes for semitransparent perovskite back-contact solar cells,” ACS Appl. Energy Mater., vol. 1, no. 9, pp. 4473–4478, Aug. 2018, doi: 10.1021/acsaem.8b01140.
16. Y. Li, G. Chen, S. Zhao, C. Liu, and N. Zhao, “Addressing gain-bandwidth trade-off by a monolithically integrated photovoltaic transistor,” Sci. Adv., vol. 8, no. 38, Sep. 2022, Art. no. eabq0187, doi: 10.1126/sciadv.abq0187.
17. M. A. Nasiri, A. S.-D. Silva, J. F. S. Claumarchirant, C. M. Gómez, G. Abellán, A. Cantarero, and J. Canet-Ferrer, “Ultrathin transparent nickel electrodes for thermoelectric applications,” Adv. Mater. Interface, vol. 11, no. 5, Feb. 2024, Art. no. 2300705, doi: 10.1002/admi.202300705.
18. J. Perozek, “Vertical gallium nitride fin transistors for RF applications,” M.S. thesis, Massachusetts Inst. Technol., Cambridge, MA, USA, 2020.
19. M. Sun, “Vertical gallium nitride power devices on bulk native substrates,” Ph.D. dissertation, Massachusetts Inst. Technol., Cambridge, MA, USA, 2017.
20. J.-H. Hsia, “Optically controlled vertical GaN finFET for power applications,” M.S. thesis, Massachusetts Inst. Technol., Cambridge, MA, USA, 2023.
21. A. Armstrong, Q. Li, K. H. A. Bogart, Y. Lin, G. T. Wang, and A. A. Talin, “Deep level optical spectroscopy of GaN nanorods,” J. Appl. Phys., vol. 106, no. 5, Sep. 2009, Art. no. 053712, doi: 10.1063/1.3211317.
22. R. Engel-Herbert, Y. Hwang, and S. Stemmer, “Comparison of methods to quantify interface trap densities at dielectric/III-V semiconductor interfaces,” J. Appl. Phys., vol. 108, no. 12, Dec. 2010, Art. no. 124101, doi: 10.1063/1.3520431.
23. H.-C. Wang, T.-E. Hsieh, Y.-C. Lin, Q. H. Luc, S.-C. Liu, C.-H. Wu, C. F. Dee, B. Y. Majlis, and E. Y. Chang, “AlGaN/GaN MIS-HEMTs with high quality ALD-Al 2 O 3 gate dielectric using water and remote oxygen plasma as oxidants,” IEEE J. Electron Devices Soc., vol. 6, pp. 110–115, 2018, doi: 10.1109/JEDS.2017.2779172.
24. R. Meunier, A. Torres, M. Charles, E. Morvan, M. Plissonier, and F. Morancho, “AlGaN/GaN MIS-HEMT gate structure improvement using Al 2 O 3 deposited by PEALD and BCl 3 gate recess etching,” ECS Trans., vol. 58, no. 4, pp. 269–277, Aug. 2013, doi: 10.1149/05804.0269ecst.