近日，山东大学与华为技术有限公司的研究团队在功率半导体领域取得了一项重要突破，他们通过氟离子注入终端（fluorine-ion implantation termination, FIT）技术，成功让全垂直硅基氮化镓（gallium nitride, GaN）沟槽金属 - 氧化物 - 半导体场效应晶体管（metal-oxide-semiconductor field-effect transistors, MOSFET）实现了 1200V 的击穿性能，相关成果已发表在《IEEE Electron Device Letters》上。
目前，功率氮化镓器件正和碳化硅（silicon carbide, SiC）晶体管竞争市场。氮化镓在 100–650V 等级的器件中表现不错，但在 1200V 应用场景里，碳化硅更受商业青睐。如果能在低成本的硅衬底上做出 1200V 的氮化镓器件，可能会改变这种商业格局，让氮化镓更具竞争力。
这种全垂直晶体管的制作用上了氮化镓 / 硅金属有机化学气相沉积（metal-organic chemical vapor deposition, MOCVD）外延材料，里面还有掩埋的 p 型氮化镓层。研究人员提到，由铝镓氮 / 氮化铝多层结构组成的导电缓冲层很关键，它不仅实现了全垂直的电流路径，还不用复杂的衬底工程工艺就能做出全垂直结构。同时，这个缓冲层能提供压应力，抵消高温 MOCVD 工艺后冷却时上层氮化镓层积累的拉应力，要是没有这种补偿，拉应力可能会让材料产生裂纹。通过 X 射线分析和阴极荧光法，研究人员估算出材料的 threading 位错密度分别为 3.0×10⁸/cm² 和 1.4×10⁸/cm²。
在制作过程中，先刻蚀栅沟槽，再通过热退火激活 p 型氮化镓，还用四甲基氢氧化铵（tetra methyl ammonium hydroxide, TMAH）处理修复了栅沟槽干法刻蚀的损伤。氟离子注入在三种不同能量和剂量下进行，分别是 240keV（4×10¹⁴）、140keV（2×10¹⁴）和 80keV（1.2×10¹⁴/cm²）。栅介质用的是原子层沉积（atomic layer deposition, ALD）制备的二氧化硅（SiO₂），源极接触窗口通过反应离子刻蚀打开，源极和栅极金属都是铬 / 金，漏极接触则用了低电阻率的硅衬底。为了对比，研究人员还做了一个采用传统 MET 工艺的器件。
测试结果显示，FIT-MOS 呈现增强模式工作特性，阈值电压（VTH）为 3.3V，开关电流比约为 10⁷，导通电流密度达 8kA/cm²，比导通电阻（Ron,sp）为 5.6mΩ・cm²，算是比较低的。它的击穿电压（BV）达到了 1277V，而对照的 MET-MOS 只有 567V。不过研究团队也指出，因为 FIT 结构有额外的垂直泄漏路径，FIT-MOS 在低漏源电压（VDS）下的关态电流密度比 MET-MOS 大。
另外，氟离子可能会通过氮化镓中的空位扩散，甚至从晶体管材料中逸出，影响热稳定性。研究人员认为，优化注入后的退火工艺能有效降低关态泄漏电流密度，还能提高 FIT-MOS 的热可靠性。模拟结果显示，FIT 结构减少了电场集中，比如 MET-MOS 台面拐角处的电场集中现象，但在栅沟槽附近还有点集中，这个问题可以通过栅极屏蔽来改善。
研究人员还把 FIT 器件的性能和以往报道的垂直氮化镓晶体管做了对比，比较了比导通电阻（Ron,sp）、击穿电压（BV）和漂移层厚度（Tdrift）。计算得出的 Baliga 优值（Baliga figure of merit, BFOM，即 BV²/Ron,sp）为 291MW/cm²，和用昂贵的本征氮化镓衬底做的器件差不多。而且，和那些昂贵的氮化镓 / 氮化镓晶体管相比，FIT-MOS 用更薄的漂移层（7μm）就实现了相近的击穿电压性能，而前者要达到 1200V 击穿电压，漂移层厚度通常得超过 10μm。
这项研究不仅在技术上实现了突破，还为氮化镓器件在高电压领域的商业化应用开辟了新路径，有望推动功率半导体行业的发展。
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