當(dāng)前，能源、信息、國(guó)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(lái)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(lái)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(wèn)題，包括邊緣峰值電場(chǎng)難以抑制、增強(qiáng)型晶體管難以實(shí)現(xiàn)。針對(duì)上述難點(diǎn)問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)微電子學(xué)院龍世兵教授課題組分別進(jìn)行了研究，并在氧化鎵功率電子器件領(lǐng)域取得了重要進(jìn)展。

01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(yáng)極邊緣峰值電場(chǎng)（例如場(chǎng)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(zhǎng)工藝和異質(zhì)PN的前期研究基礎(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(chǎng)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(kāi)關(guān)比。

最終測(cè)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2.66kV的高擊穿電壓，其功率品質(zhì)因數(shù)高達(dá)2.83GW/cm2。此外，器件在250°C下仍能保持1.77kV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?/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)道的氧化鎵肖特基二極管及異質(zhì)結(jié)二極管的性能比較

02增強(qiáng)型氧化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管

增強(qiáng)型晶體管具有誤開(kāi)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(chǎng)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(jiàn)的增強(qiáng)型設(shè)計(jì)方案往往會(huì)大幅提升器件的開(kāi)態(tài)電阻，導(dǎo)致過(guò)高的導(dǎo)通損耗。

針對(duì)上述問(wèn)題，該課題組在原有增強(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(chǎng)效應(yīng)晶體管。

該器件達(dá)到了0.9V的閾值電壓，較低的亞閾值擺幅（73mV/dec），高器件跨導(dǎo)（14.8mS/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151.5Ω·mm，并且擊穿電壓達(dá)到了980V。

▲圖2.基于異質(zhì)PN氧化鎵結(jié)型場(chǎng)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。

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