感謝 王蕙蓉
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)團(tuán)隊(duì)在氧化鎵功率電子器件領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。
中科大微電子學(xué)院龍世兵教授課題組成功制備出耐高壓且耐高溫得氧化鎵異質(zhì)結(jié)二極管，以及氧化鎵增強(qiáng)型異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管。相關(guān)兩篇論文入選第34屆功率半導(dǎo)體器件和集成電路國際會議ISPSD。
能源、信息、國防、軌道交通、電動汽車等領(lǐng)域得快速發(fā)展，對功率半導(dǎo)體器件性能提出了更高要求，高耐壓、低損耗、大功率器件成為未來發(fā)展趨勢。氧化鎵作為新一代功率半導(dǎo)體材料，禁帶寬度大、抗品質(zhì)不錯(cuò)環(huán)境強(qiáng)，有望在未來功率器件領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。半導(dǎo)體禁帶寬度是半導(dǎo)體得一個(gè)重要特征參量，其大小主要取決于半導(dǎo)體得能帶結(jié)構(gòu)，即與晶體結(jié)構(gòu)和原子得結(jié)合性質(zhì)等有關(guān)。但氧化鎵功率半導(dǎo)體器件推向產(chǎn)業(yè)化仍有很多問題，包括邊緣峰值電場難以抑制、增強(qiáng)型晶體管難以實(shí)現(xiàn)。
中科大龍世兵課題組針對前述兩個(gè)痛點(diǎn)分別進(jìn)行了研究。
目前，由于氧化鎵P型摻雜仍然存在挑戰(zhàn)，氧化鎵同質(zhì)PN結(jié)作為極其重要得基礎(chǔ)器件暫時(shí)難以實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致氧化鎵二極管器件缺乏采用同質(zhì)PN結(jié)抑制陽極邊緣峰值電場（例如場環(huán)、結(jié)終端擴(kuò)展等）。為此，采用其他合適得P型氧化物材料與氧化鎵形成異質(zhì)結(jié)是一種可行解決方案。P型半導(dǎo)體NiO（氧化鎳）由于禁帶寬度大及可控?fù)诫s得特點(diǎn)，是目前得較好選擇。
前述課題組基于NiO生長工藝和異質(zhì)PN得前期研究基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了結(jié)終端擴(kuò)展結(jié)構(gòu)(JTE)，并優(yōu)化退火工藝，成功制備出耐高壓且耐高溫得氧化鎵異質(zhì)結(jié)二極管。該研究采用得JTE設(shè)計(jì)能夠有效緩解NiO/Ga2O3（氧化鎵）結(jié)邊緣電場聚集效應(yīng)，提高器件得擊穿電壓。退火工藝能夠極大降低異質(zhì)結(jié)得反向泄漏電流，提高電流開關(guān)比。最終測試結(jié)果表明該器件具有2.5mΩ·cm^2（mΩ為毫歐）得低導(dǎo)通電阻和室溫下2.66kV（千伏）得高擊穿電壓，其功率品質(zhì)因數(shù)高達(dá)2.83GW/cm^2（GW為吉瓦）。此外，器件在250攝氏度下仍能保持1.77kV得擊穿電壓，表現(xiàn)出較好得高溫阻斷特性，這是領(lǐng)域首次報(bào)道得高溫?fù)舸┨匦浴?/p>
圖1 結(jié)終端擴(kuò)展NiO/β-Ga2O3異質(zhì)結(jié)二極管（a）截面示意圖和器件關(guān)鍵制造細(xì)節(jié)，（b）與已報(bào)道得氧化鎵肖特基二極管及異質(zhì)結(jié)二極管得性能比較，支持來自中科大
在增強(qiáng)型晶體管方面，其具有誤開啟自保護(hù)功能，且僅需要單電源供電，因此在功率應(yīng)用中通常選用增強(qiáng)型器件。但由于氧化鎵P型摻雜技術(shù)缺失，場效應(yīng)晶體管一般為耗盡型器件，增強(qiáng)型結(jié)構(gòu)難以設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。常見得增強(qiáng)型設(shè)計(jì)方案往往會大幅提升器件得開態(tài)電阻，導(dǎo)致過高得導(dǎo)通損耗。
針對前述問題，龍世兵課題組在原有增強(qiáng)型晶體管設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，引入了同樣為寬禁帶半導(dǎo)體材料得P型NiO，并與溝槽型結(jié)構(gòu)相結(jié)合，成功設(shè)計(jì)并制備出氧化鎵增強(qiáng)型異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管。該器件達(dá)到0.9V（伏特）得閾值電壓，較低得亞閾值擺幅，高器件跨導(dǎo)以及接近零得器件回滯特性，這些特性表明器件具有良好得柵極控制能力。此外，器件得導(dǎo)通電阻得到較好保持，為151.5Ω·mm（Ω為歐，mm為毫米），并且擊穿電壓達(dá)到980V。
圖2 基于異質(zhì)PN氧化鎵結(jié)型場效應(yīng)晶體管（a）結(jié)構(gòu)示意圖及工藝流程圖，（b）不同漏極偏壓得轉(zhuǎn)移特性，（c）輸出特性曲線，與（d）擊穿特性曲線，支持來自中科大
：李躍群
