近日，中國科大微電子學(xué)院龍世兵教授課題組兩篇論文入選第34屆功率半導(dǎo)體器件和集成電路國際會(huì)議（ISPSD，全稱為：IEEE International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs）。ISPSD是功率半導(dǎo)體器件和集成電路領(lǐng)域國際頂級(jí)學(xué)術(shù)會(huì)議。
能源、信息、國防、軌道交通、電動(dòng)汽車等領(lǐng)域的快速發(fā)展，對(duì)功率半導(dǎo)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(fā)展的趨勢(shì)。氧化鎵作為新一代功率半導(dǎo)體材料，禁帶寬帶大、抗極端環(huán)境強(qiáng)，有望在未來功率器件領(lǐng)域發(fā)揮極其重要的作用。但氧化鎵功率半導(dǎo)體器件推向產(chǎn)業(yè)化仍然有很多問題，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)。該課題組針對(duì)這兩個(gè)痛點(diǎn)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(zhàn)，氧化鎵同質(zhì)PN結(jié)作為極其重要的基礎(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，采用其他合適的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由于禁帶寬度大及可控?fù)诫s的特點(diǎn)，是目前較好的選擇。
該課題組基于NiO生長工藝和異質(zhì)PN的前期研究基礎(chǔ)（Weibing Hao, et.al., Applied Physics Letters, 118, 043501, 2021），設(shè)計(jì)了結(jié)終端擴(kuò)展結(jié)構(gòu)（Junction Termination Extension, JTE），并優(yōu)化退火工藝，成功制備出耐高壓且耐高溫的氧化鎵異質(zhì)結(jié)二極管。該研究采用的JTE設(shè)計(jì)能夠有效緩解NiO/Ga2O3結(jié)邊緣電場聚集效應(yīng)，提高器件的擊穿電壓。退火工藝能夠極大降低異質(zhì)結(jié)的反向泄漏電流，提高電流開關(guān)比。最終測試結(jié)果表明該器件具有2.5mΩ·cm2的低導(dǎo)通電阻和室溫下2.66 kV的高擊穿電壓，其功率品質(zhì)因數(shù)高達(dá)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(xiàn)出極好的高溫阻斷特性，這是領(lǐng)域首次報(bào)道的高溫?fù)舸┨匦浴Ｑ芯砍晒?ldquo;2.6 kV NiO/Ga2O3Heterojunction Diode with Superior High-Temperature Voltage Blocking Capability”為題發(fā)表在ISPSD 2022上。第一作者為我校微電子學(xué)院博士生郝偉兵，微電子學(xué)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(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)道的氧化鎵肖特基二極管及異質(zhì)結(jié)二極管的性能比較。
2、增強(qiáng)型氧化鎵場效應(yīng)晶體管
增強(qiáng)型晶體管具有誤開啟自保護(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)。常見的增強(qiáng)型設(shè)計(jì)方案往往會(huì)大幅提升器件的開態(tài)電阻，導(dǎo)致過高的導(dǎo)通損耗。
針對(duì)上述問題，該課題組在原有增強(qiáng)型晶體管設(shè)計(jì)基礎(chǔ)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(dǎo)體材料的P型NiO，并與溝槽型結(jié)構(gòu)相結(jié)合，成功設(shè)計(jì)并制備出了氧化鎵增強(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(dǎo)（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(dǎo)通電阻得到了很好的保持，為151.5 Ω·mm，并且擊穿電壓達(dá)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(fā)表在ISPSD 2022上。第一作者為我校微電子學(xué)院博士生周選擇，微電子學(xué)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(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）不同漏極偏壓的轉(zhuǎn)移特性，（c）輸出特性曲線，與（d）擊穿特性曲線。
該兩項(xiàng)研究得到了國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)研究計(jì)劃、中國科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究計(jì)劃、科技委、廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研究發(fā)展計(jì)劃及中國科學(xué)院微電子研究所微電子器件與集成技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(xué)實(shí)驗(yàn)中心、中國科大行星探索與前瞻性技術(shù)前沿科學(xué)中心、中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所納米器件與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的支持。
ISPSD2022會(huì)議官網(wǎng)：https://ispsd2022.com/
