氧化镓（Ga2O3）沟槽二极管的相关研究进展

近日，西安电子科技大学宽禁带半导体国家工程研究中心郝跃院士团队的一篇口头报告和一篇海报论文入选第35届功率半导体器件和集成电路国际会议（IEEE ISPSD，全称IEEE International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs）。这两篇论文分别介绍了增强型氧化镓（β-Ga2O3）金属异质结复合场效应晶体管和热电协同设计的氧化镓（Ga2O3）沟槽二极管的相关研究进展。

01

增强型氧化镓（β-Ga2O3）金属异质结复合场效应晶体管

在这项工作中，研究组提出了一种β-Ga2O3金属异质结复合场效应晶体管（ME-HJFET），它结合了肖特基栅和NiOX pn异质结栅的优点。同时，制备了一种传统的异质结场效应晶体管（CHJ-FET）。该研究探讨了BV（击穿电压）和特定的电阻（RON，SP）的关键指标，同时与之前报道的最先进的设计相比，实现了这些参数的显著优化。ME-HJFET的高击穿电压（BV）约为2160V，RON，SP为6.35 mΩ·cm2，CHJFET的RON，SP为21.9 mΩ·cm2，BV约为2340V。此外，ME-HJFET的P-FOM高达0.73 GW/cm2，接近CHJ-FET值（0.37 GW/cm2）的两倍。这也是迄今为止报告的增强型的氧化镓场效应晶体管的最高值。

图1 β-Ga2O3 增强型 ME-HJFET 器件结构示意图. (b) 栅区域的SEM图像

图2 β-Ga2O3 增强型 CHJ-FET 器件结构示意图. (b) 栅区域的SEM图像

（a）                                    （b）

图3 （a）ME-HJFET的线性Id-Vg和gm-Vg曲线（Vth=4.2V），

（b）CHJ-FET的线性Id-Vg和gm-Vg曲线（Vth=3.3V）

图4 ME-HJFET（RON，SP=6.35 mΩ·cm2）和CHJ-FET（RON，SP为14.15 mΩ·cm2）输出曲线（Vth=4.2V）

图5 ME-HJFET和CHJ-FET击穿特性曲线（VG=0V）（LSD=27μm）

图6 ME-HJFET和CHJ-FET与国际上的氧化镓增强型器件结果对比

02

热电协同设计的氧化镓（Ga2O3）沟槽二极管

Ga2O3技术成熟的一个主要障碍是器件过热。对于Ga2O3沟槽器件，尽管与[010]沟槽侧壁相比，[100]沟槽侧壁的热导率（kT[010]）更高，但具有[100]沟槽的Ga2O3沟槽器件很少被采用，这是由于侧壁取向依赖性蚀刻损伤导致的最差的侧壁界面质量，即使在使用酸的湿法蚀刻修复之后也是如此。与Ga2O3[010]沟槽二极管相比，所提出的基于铁电介质的优化的沟槽侧壁界面质量的电热共设计的Ga2O3[100]沟槽二极管首次表现出更好的性能。在相同的功耗下，Ga2O3[100]沟槽二极管的中心结温度最低，比Ga2O3[010]沟槽二极管低9度。新的界面质量优化策略可以显著地为Ga2O3沟槽的热电协同优化设计提供潜力。

（a）                            （b）

图1（a）沟槽二极管器件结构示意图，(b)沟槽沿[010]方向(0°旋转)和沟槽沿[100]方向(90°旋转)的二极管器件显微镜图片

图2（a）沟槽介质为PZT二极管（TD2＆TD3）反向击穿曲线示意图，（b）TD2旋转0°和90°在脉冲模式下的正向I-V特性，(c) TD3旋转0°和90°在脉冲模式下的正向I-V特性

图3 (a)旋转0°和90°时TD2和TD3的正向I-V特性分别在(a)和(d)向上和向下脉冲测量(测量前无预电压应力)，(b)和(e)向上脉冲测量(测量前有预电压应力)，(c)和(f)直流测量

图4 (a)（b)直流测量下，旋转0°和90°的TD1（沟槽介质HfO2）正向I-V特性；(c)旋转0°和(d)旋转90°的HfO2 TD1热像图（SanjSCOPETM热反射热成像系统(TTI)在相同正向功耗下测量）

图5 SanjSCOPETM TTI分别在相同正向功耗(319mW,10s)下测量了旋转0°和90°的TD2和TD3的热图像。红框显示了每个PZT TD2&3测量的阳极区域

IEEE ISPSD是功率半导体器件和集成电路领域在国际上重要的知名学术会议，本届会议于5月28日至6月1日在中国香港举办。据悉，这是ISPSD会议举办35年以来第三次在中国大陆召开，中国是本届会议入选论文数量最多的国家，共入选45篇论文，其中入选口头报告12篇；入选海报张贴33篇。2023年中国共有16家机构有论文入选ISPSD。

编辑：黄飞