感謝 王蕙蓉

中國科學技術大學團隊在氧化鎵功率電子器件領域取得重要進展。

中科大微電子學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，以及氧化鎵增強型異質(zhì)結(jié)場效應晶體管。相關兩篇論文入選第34屆功率半導體器件和集成電路國際會議ISPSD。

能源、信息、國防、軌道交通、電動汽車等領域得快速發(fā)展，對功率半導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體材料，禁帶寬度大、抗品質(zhì)不錯環(huán)境強，有望在未來功率器件領域發(fā)揮重要作用。半導體禁帶寬度是半導體得一個重要特征參量，其大小主要取決于半導體得能帶結(jié)構(gòu)，即與晶體結(jié)構(gòu)和原子得結(jié)合性質(zhì)等有關。但氧化鎵功率半導體器件推向產(chǎn)業(yè)化仍有很多問題，包括邊緣峰值電場難以抑制、增強型晶體管難以實現(xiàn)。

中科大龍世兵課題組針對前述兩個痛點分別進行了研究。

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器件暫時難以實現(xiàn)，導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型半導體NiO（氧化鎳）由于禁帶寬度大及可控摻雜得特點，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，設計了結(jié)終端擴展結(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設計能夠有效緩解NiO/Ga2O3（氧化鎵）結(jié)邊緣電場聚集效應，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，這是領域首次報道得高溫擊穿特性。

圖1 結(jié)終端擴展NiO/β-Ga2O3異質(zhì)結(jié)二極管（a）截面示意圖和器件關鍵制造細節(jié)，（b）與已報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

在增強型晶體管方面，其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(jié)構(gòu)難以設計和實現(xiàn)。常見得增強型設計方案往往會大幅提升器件得開態(tài)電阻，導致過高得導通損耗。

針對前述問題，龍世兵課題組在原有增強型晶體管設計基礎上，引入了同樣為寬禁帶半導體材料得P型NiO，并與溝槽型結(jié)構(gòu)相結(jié)合，成功設計并制備出氧化鎵增強型異質(zhì)結(jié)場效應晶體管。該器件達到0.9V（伏特）得閾值電壓，較低得亞閾值擺幅，高器件跨導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），并且擊穿電壓達到980V。

圖2 基于異質(zhì)PN氧化鎵結(jié)型場效應晶體管（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