注册

【功率器件】中科大在氧化镓功率电子器件领域取得重要进展

来源:中国科学技术大学       

当前,能源、信息、国防、轨道交通、电动汽车等领域的快速发展,对功率半导体器件性能提出了更高的要求,高耐压、低损耗、大功率器件成为未来发展的趋势。氧化镓作为新一代功率半导体材料,禁带宽带大、抗极端环境强,有望在未来功率器件领域发挥极其重要的作用。

但氧化镓功率半导体器件推向产业化仍然有很多问题,包括边缘峰值电场难以抑制、增强型晶体管难以实现。针对上述难点问题,中国科学技术大学微电子学院龙世兵教授课题组分别进行了研究,并在氧化镓功率电子器件领域取得了重要进展。

01高耐压氧化镓二极管

目前,由于氧化镓P型掺杂仍然存在挑战,氧化镓同质PN结作为极其重要的基础器件暂时难以实现,导致氧化镓二极管器件缺乏采用同质PN结抑制阳极边缘峰值电场(例如场环、结终端扩展等)。为此,采用其他合适的P型氧化物材料与氧化镓形成异质结是一种可行解决方案。P型半导体NiO由于禁带宽度大及可控掺杂的特点,是目前较好的选择。

该课题组基于NiO生长工艺和异质PN的前期研究基础,设计了结终端扩展结构(JTE),并优化退火工艺,成功制备出耐高压且耐高温的氧化镓异质结二极管。该研究采用的JTE设计能够有效缓解NiO/Ga2O3结边缘电场聚集效应,提高器件的击穿电压。退火工艺能够极大降低异质结的反向泄漏电流,提高电流开关比。

最终测试结果表明该器件具有2.5mΩ·cm2的低导通电阻和室温下2.66kV的高击穿电压,其功率品质因数高达2.83GW/cm2。此外,器件在250°C下仍能保持1.77kV的击穿电压,表现出极好的高温阻断特性,这是领域首次报道的高温击穿特性。


▲图1.结终端扩展NiO/β-Ga2O3异质结二极管(a)截面示意图和器件关键制造细节,(b)与已报道的氧化镓肖特基二极管及异质结二极管的性能比较

02增强型氧化镓场效应晶体管

增强型晶体管具有误开启自保护功能,且仅需要单电源供电,因此在功率应用中通常选用增强型器件。但由于氧化镓P型掺杂技术缺失,场效应晶体管一般为耗尽型器件,增强型结构难以设计和实现。常见的增强型设计方案往往会大幅提升器件的开态电阻,导致过高的导通损耗。

针对上述问题,该课题组在原有增强型晶体管设计基础上,引入了同样为宽禁带半导体材料的P型NiO,并与沟槽型结构相结合,成功设计并制备出了氧化镓增强型异质结场效应晶体管。

该器件达到了0.9V的阈值电压,较低的亚阈值摆幅(73mV/dec),高器件跨导(14.8mS/mm)以及接近零的器件回滞特性,这些特性表明器件具有良好的栅极控制能力。此外,器件的导通电阻得到了很好的保持,为151.5Ω·mm,并且击穿电压达到了980V。


▲图2.基于异质PN氧化镓结型场效应晶体管(a)结构示意图及工艺流程图,(b)不同漏极偏压的转移特性,(c)输出特性曲线,与(d)击穿特性曲线。

封面图片来源:拍信网