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研发客服当前，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
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