德國亞琛工業(yè)大學(xué)在氮化鎵（GaN）外延結(jié)構(gòu)中首次實現(xiàn)了垂直溝道結(jié)型場效應(yīng)晶體管（vc-JFET）。

垂直器件對于高功率密度應(yīng)用是很有應(yīng)用價值的，因為通過該結(jié)構(gòu)將峰值電場從表面推入散裝材料，從而避免了對表面鈍化或場板的需要。

研究人員使用低成本的2英寸藍(lán)寶石襯底通過MOCVD生成準(zhǔn)垂直vc-JFET。之后使用重n型摻雜GaN層實現(xiàn)背面“虛擬”接觸（圖1）。真正的垂直器件會使漏極觸點穿過晶圓的背面 - 這是使用絕緣藍(lán)寶石無法實現(xiàn)的。

圖1：具有選擇性再生長的p-GaN柵極區(qū)域的準(zhǔn)垂直vc-JFET的示意圖。

在大多數(shù)垂直器件的研究中，會選擇使用更昂貴的獨立式或塊狀GaN，形成真正的垂直結(jié)構(gòu)。但在實際生產(chǎn)中，成本是一個關(guān)鍵考慮因素，真正的垂直器件將有幾種可能的生成途徑 ——不使用襯底或使用導(dǎo)電生長襯底，例如獨立式或塊狀GaN或硅。但使用硅則會導(dǎo)致材料質(zhì)量低，從而泄漏電流越大。

通過首先施加2μm輕摻雜n-GaN漂移層和20nm重?fù)诫sn-GaN接觸層來生長RWTH器件結(jié)構(gòu)，然后使用二氧化硅作為在掩模和MOCVD期間保護(hù)溝道的硬掩模，在重?fù)诫sp-GaN的選擇性區(qū)域再生長。其中柵極 - 柵極（GTG）距離為4μm。通道寬度為54μm。

用于選擇性區(qū)域再生的刻蝕使用干法和濕法的組合方法。溝道的側(cè)壁與GaN晶體結(jié)構(gòu)的m面對準(zhǔn)，以減少干刻蝕的粗糙度。濕四甲基氫氧化銨（TMAH）處理進(jìn)一步使側(cè)壁變平并從蝕刻底部的c面表面去除蝕刻損傷。在p-GaN再生長之后，通過在氮氣中在900℃下退火900秒來激活材料。退火的目的是從鎂摻雜中除去氫。氫 - 鎂絡(luò)合物干擾p-GaN材料中所需的空穴的產(chǎn)生。

該器件的金屬化由用于漏極和源極的鈦/鋁/鎳/金和用于p-GaN柵極的鎳/金組成。首先沉積漏電極，然后是柵極，最后是源極。漏電極和柵電極分別在830℃和535℃下退火。由于p-GaN接觸的溫度限制，源電極未退火。

漏極觸點為歐姆，接觸電阻為0.8Ω-mm。然而，柵極接觸是非線性的，在零偏壓下具有900Ω-mm的接觸電阻，而源極表現(xiàn)出肖特基行為。這些問題與源極接觸的非退火性質(zhì)和在柵極下面不存在重?fù)诫s的p-GaN層有關(guān)。

柵電極允許調(diào)制pn結(jié)處的耗盡層的厚度，阻斷源極和漏極之間的溝道區(qū)域中的電流。漂移層具有“中等”厚度，降低了預(yù)期的擊穿性能。中等漂移層的目的是通過干刻蝕過程更容易接近虛擬背接觸。

鑒于類似肖特基的“源極”接觸，研究人員決定逆轉(zhuǎn)漏極偏置，因此器件的操作就好像源是漏極一樣，反之亦然。包括肖特基導(dǎo)通電壓約0.5V的器件的行為延遲了漏極偏置的電流增加。具體的導(dǎo)通電阻為2.36mΩ-cm2，歸一化為溝道截面積。 柵極漏電流比漏極電流低兩個數(shù)量級，柵極電位高達(dá)10V。

圖2：1V源極 - 漏極偏置下的準(zhǔn)垂直vc-JFET的漏極和柵極電流以及跨導(dǎo)，傳輸特性。 標(biāo)準(zhǔn)化為通道橫截面。

雖然晶體管沒有夾斷，但柵極電位確實調(diào)制了漏極電流（高達(dá)1.8倍，柵極為-10V，圖2）。根據(jù)模擬，夾斷發(fā)生在-112V左右。將其放在一位數(shù)范圍內(nèi)需要縮小尺寸，同時減少溝道摻雜以增加空間電荷區(qū)域的范圍。模擬結(jié)果表明，在-12V時，空間電荷區(qū)域僅從4μm柵極 - 柵極間隙的兩側(cè)延伸1μm。

模擬還表明，常關(guān)增強(qiáng)模式操作將會產(chǎn)生1μm的柵極 - 柵極間距，以及5μm溝道長和5x10E15·cm-3摻雜，提供+2.3V閾值。根據(jù)汞電容 - 電壓分布測量，實驗裝置的漂移/溝道摻雜為1×10E16·cm-3。