氧化鎵功率電子器件領域新進展，入選ISPSD

近日，中國科大微電子學院龍世兵教授課題組兩篇論文入選第34屆功率半導體器件和集成電路國際會議（ISPSD，全稱為：IEEE International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs）。ISPSD是功率半導體器件和集成電路領域國際頂級學術會議。

能源、信息、國防、軌道交通、電動汽車等領域的快速發展，對功率半導體器件性能提出了更高的要求，高耐壓、低損耗、大功率器件成為未來發展的趨勢。氧化鎵作為新一代功率半導體材料，禁帶寬帶大、抗極端環境強，有望在未來功率器件領域發揮極其重要的作用。但氧化鎵功率半導體器件推向產業化仍然有很多問題，包括邊緣峰值電場難以抑制、增強型晶體管難以實現。該課題組針對這兩個痛點分別做了如下工作：

1、高耐壓氧化鎵二極管

目前，由于氧化鎵P型摻雜仍然存在挑戰，氧化鎵同質PN結作為極其重要的基礎器件暫時難以實現，導致氧化鎵二極管器件缺乏采用同質PN結抑制陽極邊緣峰值電場（例如場環、結終端擴展等）。為此，采用其他合適的P型氧化物材料與氧化鎵形成異質結是一種可行解決方案。P型半導體NiO由于禁帶寬度大及可控摻雜的特點，是目前較好的選擇。

該課題組基于NiO生長工藝和異質PN的前期研究基礎（Weibing Hao, et.al., Applied Physics Letters, 118, 043501, 2021），設計了結終端擴展結構（Junction Termination Extension, JTE），并優化退火工藝，成功制備出耐高壓且耐高溫的氧化鎵異質結二極管。該研究采用的JTE設計能夠有效緩解NiO/Ga2O3結邊緣電場聚集效應，提高器件的擊穿電壓。退火工藝能夠極大降低異質結的反向泄漏電流，提高電流開關比。最終測試結果表明該器件具有2.5mΩ·cm2的低導通電阻和室溫下2.66 kV的高擊穿電壓，其功率品質因數高達2.83 GW/cm2。此外，器件在250 °C下仍能保持1.77 kV的擊穿電壓，表現出極好的高溫阻斷特性，這是領域首次報道的高溫擊穿特性。研究成果以“2.6 kV NiO/Ga2O3Heterojunction Diode with Superior High-Temperature Voltage Blocking Capability”為題發表在ISPSD 2022上。第一作者為我校微電子學院博士生郝偉兵，微電子學院龍世兵教授和徐光偉特任副研究員為論文共同通訊作者。

圖1、結終端擴展NiO/β-Ga2O3異質結二極管（a）截面示意圖和器件關鍵制造細節，（b）與已報道的氧化鎵肖特基二極管及異質結二極管的性能比較。

2、增強型氧化鎵場效應晶體管

增強型晶體管具有誤開啟自保護功能，且僅需要單電源供電，因此在功率應用中通常選用增強型器件。但由于氧化鎵P型摻雜技術缺失，場效應晶體管一般為耗盡型器件，增強型結構難以設計和實現。常見的增強型設計方案往往會大幅提升器件的開態電阻，導致過高的導通損耗。

針對上述問題，該課題組在原有增強型晶體管設計基礎上（Xuanze Zhou, et.al., IEEE Transactions on Electron Devices, 68, 1501-1506, 2021），引入了同樣為寬禁帶半導體材料的P型NiO，并與溝槽型結構相結合，成功設計并制備出了氧化鎵增強型異質結場效應晶體管。該器件達到了0.9 V的閾值電壓，較低的亞閾值擺幅（73 mV/dec），高器件跨導（14.8 mS/mm）以及接近零的器件回滯特性，這些特性表明器件具有良好的柵極控制能力。此外，器件的導通電阻得到了很好的保持，為151.5 Ω·mm，并且擊穿電壓達到了980 V。

研究成果以“Normally-offβ-Ga2O3Power Heterojunction Field-Effect-Transistor Realized by p-NiO and Recessed-Gate”為題發表在ISPSD 2022上。第一作者為我校微電子學院博士生周選擇，微電子學院龍世兵教授和徐光偉特任副研究員為論文共同通訊作者。

圖2.基于異質PN氧化鎵結型場效應晶體管（a）結構示意圖及工藝流程圖，（b）不同漏極偏壓的轉移特性，（c）輸出特性曲線，與（d）擊穿特性曲線。

該兩項研究得到了國家自然科學基金、中國科學院戰略性先導研究計劃、中國科學院前沿科學重點研究計劃、科技委、廣東省重點領域研究發展計劃及中國科學院微電子研究所微電子器件與集成技術重點實驗室開放課題的資助，也得到了中國科大微納研究與制造中心、中國科大信息科學實驗中心、中國科大行星探索與前瞻性技術前沿科學中心、中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所納米器件與應用重點實驗室的支持。