當(dāng)前，能源、信息、國防、軌道交通、電動汽車等領(lǐng)域的快速發(fā)展，對功率半導(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。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，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、增強型晶體管難以實現(xiàn)。針對上述難點問題，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微電子學(xué)院龍世兵教授課題組分別進行了研究，并在氧化鎵功率電子器件領(lǐng)域取得了重要進展。
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)器件暫時難以實現(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摻雜的特點，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)，設(shè)計了結(jié)終端擴展結(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2.66kV的高擊穿電壓，其功率品質(zhì)因數(shù)高達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)域首次報道的高溫擊穿特性。
02增強型氧化鎵場效應(yīng)晶體管
增強型晶體管具有誤開啟自保護功能，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，增強型結(jié)構(gòu)難以設(shè)計和實現(xiàn)。常見的增強型設(shè)計方案往往會大幅提升器件的開態(tài)電阻，導(dǎo)致過高的導(dǎo)通損耗。
針對上述問題，該課題組在原有增強型晶體管設(shè)計基礎(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)計并制備出了氧化鎵增強型異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管。
該器件達到了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，并且擊穿電壓達到了980V。
