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基于蓝宝石衬底、采用i线光刻实现百纳米级鳍宽的常关型准垂直GaN FinFET
Normally-Off, Quasi-Vertical GaN FinFETs on Sapphire Substrates With Fin Widths Structured by i-Line Lithography in the 100 nm Range
| 作者 | Matthias Sinnwell · Michael Dammann · Rachid Driad · Michael Mikulla · Stefan Müller · Rüdiger Quay |
| 期刊 | IEEE Electron Device Letters |
| 出版日期 | 2025年5月 |
| 技术分类 | 功率器件技术 |
| 技术标签 | GaN器件 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | 垂直GaN FinFET 蓝宝石衬底 i线光刻 鳍片宽度 阈值电压 |
语言:
中文摘要
本研究报告了在蓝宝石衬底上制备垂直氮化镓（GaN）鳍式场效应晶体管（FinFET）的情况。FinFET概念可实现具有密集多沟道结构的常关型晶体管。然而，使用耗时的电子束光刻技术是在晶圆级实现高效器件生产的一大障碍。因此，本研究探讨了利用i线光刻技术制造宽度小于200纳米的亚微米级细鳍片的可能性。从较宽的鳍片开始，通过湿法蚀刻使其变薄，会导致鳍片长度意外缩短，因此需要将鳍片宽度制作得远小于所使用的波长。我们的工艺证明能够实现100纳米左右的鳍片宽度。该FinFET至少由100个鳍片组成，其最大平均阈值电压（<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${V}_{\text {th}}$ </tex-math></inline-formula>）为（<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">$0.90~\pm ~0.10$ </tex-math></inline-formula>）伏特。<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${V}_{\text {th}}$ </tex-math></inline-formula>随鳍片宽度增加呈预期的抛物线下降趋势，在约400纳米时变为负值。在跨导曲线中可区分出积累沟道和鳍片主体的贡献。对鳍片宽度为370纳米的器件进行小信号射频特性表征，结果显示其最大<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${{f}_{\text {t}}} = {{3}.3}~{\text {GHz}}$ </tex-math></inline-formula>和<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${{f}_{\max }} =$ </tex-math></inline-formula> 5.2吉赫兹。
English Abstract
This work reports on the fabrication of vertical GaN FinFETs on a sapphire substrate. The FinFET concept allows for realizing normally-off transistors with dense multi-channel structures. However, using time-consuming e-beam lithography represents an obstacle to effective device production at a wafer level. Therefore, this work investigates the possibility of creating thin fins at submicrometer dimensions below a width of 200 nm using i-line lithography. Starting with broad fins and thinning them with a wet etch resulted in an undesired shortening of the length of the fins, necessitating structuring the fins with widths significantly below the used wavelength. Our process proves capable of achieving fin widths in the range of 100 nm. The FinFETs consist of at least 100 fins and exhibit a maximum averaged threshold voltage ( V_ th ) of ( 0.90~ ~0.10 ) V. V_ th displays the expected parabolic decrease with increasing fin width, becoming negative at around 400 nm. The contributions of the accumulation channel and the bulk fin are distinguished in the transconductance profile. Small-signal RF characterization of a device featuring a fin width of 370 nm shows maximum values of {f_ t} = {3.3}~ {GHz} and {f_ } = 5.2 GHz.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这项基于蓝宝石基底的垂直GaN FinFET技术具有重要的战略价值。该技术实现了常关型（Normally-Off）器件，这是光伏逆变器和储能系统功率转换中的关键安全特性，可有效降低待机损耗并提升系统可靠性。
该研究最具突破性的贡献在于采用i-line光刻工艺实现了100纳米级的鳍片宽度制造，突破了传统电子束光刻的产能瓶颈。这对阳光电源而言意义重大——若该工艺成熟，可显著降低GaN功率器件的制造成本，直接提升我司逆变器和储能变流器的成本竞争力。垂直结构的多通道密集排布设计能够在相同芯片面积下实现更高的电流密度，这对于提升功率模块的功率密度至关重要，符合我司产品小型化、轻量化的发展方向。
技术性能方面，器件展现出0.9V的阈值电压和3.3 GHz的截止频率，虽然RF性能对于中低频开关应用（如光伏逆变器的20-100 kHz开关频率）已有一定余量，但相较于商用GaN HEMT器件，其性能仍需进一步优化。特别是阈值电压随鳍片宽度的抛物线变化特性，要求严格的工艺控制以保证批量生产的一致性。
当前该技术仍处于实验室阶段，距离大规模商用尚有距离。主要挑战包括蓝宝石基底的热导率限制、鳍片结构的长期可靠性验证，以及与现有功率模块封装工艺的兼容性。建议阳光电源持续跟踪该技术路线，并评估在下一代高频、高功率密度产品中的应用潜力，同时可考虑与相关研发机构建立合作，推动技术向产业化方向发展。