中科大在氧化鎵功率電子器件領域取得重要進展

近日，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製備出耐高壓且耐高溫的氧化鎵異質結二極管，以及氧化鎵增強型異質結場效應晶體管。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、電動汽車等領域的快速發展，對功率半導體器件性能提出了更高要求，高耐壓、低損耗、大功率器件成爲未來發展趨勢。氧化鎵作爲新一代功率半導體材料，禁帶寬度大、抗極端環境強，有望在未來功率器件領域發揮重要作用。半導體禁帶寬度是半導體的一個重要特徵參量，其大小主要取決於半導體的能帶結構，即與晶體結構和原子的結合性質等有關。但氧化鎵功率半導體器件推向產業化仍有很多問題，包括邊緣峯值電場難以抑制、增強型晶體管難以實現。

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，由於氧化鎵P型摻雜仍然存在挑戰，氧化鎵同質PN結作爲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採用同質PN結抑制陽極邊緣峯值電場（例如場環、結終端擴展等）。爲此，採用其他合適的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（氧化鎳）由於禁帶寬度大及可控摻雜的特點，是目前的較好選擇。

前述課題組基於NiO生長工藝和異質PN的前期研究基礎，設計了結終端擴展結構（JTE），並優化退火工藝，成功製備出耐高壓且耐高溫的氧化鎵異質結二極管。該研究採用的JTE設計能夠有效緩解NiO/Ga2O3（氧化鎵）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·cm^2（mΩ爲毫歐）的低導通電阻和室溫下2.66kV（千伏）的高擊穿電壓，其功率品質因數高達2.83GW/cm^2（GW爲吉瓦）。此外，器件在250攝氏度下仍能保持1.77kV的擊穿電壓，表現出較好的高溫阻斷特性，這是領域首次報道的高溫擊穿特性。

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製造細節，（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，圖片來自中科大

在增強型晶體管方面，其具有誤開啓自保護功能，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。但由於氧化鎵P型摻雜技術缺失，場效應晶體管一般爲耗盡型器件，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，引入了同樣爲寬禁帶半導體材料的P型NiO，並與溝槽型結構相結合，成功設計並製備出氧化鎵增強型異質結場效應晶體管。該器件達到0.9V（伏特）的閾值電壓，較低的亞閾值擺幅，高器件跨導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較好保持，爲151.5Ω·mm（Ω爲歐，mm爲毫米），並且擊穿電壓達到980V。