近日，中國科大國家示范性微電子學(xué)院龍世兵教授課題組兩篇關(guān)于氧化鎵器件的研究論文（高功率氧化鎵肖特基二極管和氧化鎵光電探測器）成功被IEDM大會(huì)接收，這也是中國科大首次以第一作者單位在IEEE IEDM上發(fā)表論文。
高功率氧化鎵肖特基二極管
如何開發(fā)出有效的邊緣終端結(jié)構(gòu)，緩解肖特基電極邊緣電場是目前氧化鎵肖特基二極管研究的熱點(diǎn)。由于氧化鎵P型摻雜目前尚未解決，PN結(jié)相關(guān)的邊緣終端結(jié)構(gòu)一直是難點(diǎn)。
該工作基于氧化鎵異質(zhì)PN結(jié)的前期研究基礎(chǔ)（Weibing Hao, et.al.，in proc. ISPSD, 105，2022），將異質(zhì)結(jié)終端擴(kuò)展結(jié)構(gòu)（Junction Termination Extension, JTE）成功應(yīng)用于氧化鎵肖特基二極管。該研究通過合理設(shè)計(jì)優(yōu)化JTE區(qū)域的電荷濃度，確保不影響二極管正向特性的同時(shí)最大化削弱肖特基邊緣電場，從而有效提高器件的耐壓能力。優(yōu)化后的器件實(shí)現(xiàn)了2.9 mΩ·cm2的低導(dǎo)通電阻和2.1kV的高擊穿電壓，其功率品質(zhì)因數(shù)高達(dá)1.52 GW/cm2。
此外，利用該優(yōu)化工藝成功制備并封裝了大面積的氧化鎵肖特基二極管，器件正向偏壓2V下電流密度達(dá)到180A/cm2，反向擊穿電壓高達(dá)1.3kV。研究成果以“High-Performance Vertical β-Ga2O3 Schottky Barrier Diodes Featuring P-NiO JTE with Adjustable Conductivity”為題發(fā)表在IEDM 2022上，且獲選為Top Ranked Student Paper。
論文第一作者為我校微電子學(xué)院博士生郝偉兵，微電子學(xué)院龍世兵教授和徐光偉特任副研究員為論文共同通訊作者。
圖1結(jié)終端擴(kuò)展氧化鎵肖特基二極管。（a）器件結(jié)構(gòu)示意圖。（b）具有不同JTE區(qū)域電荷濃度的器件擊穿特性比較。（c）封裝器件反向恢復(fù)特性測試電路。（d）與已報(bào)道的氧化鎵肖特基二極管的性能比較（Source：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)）
氧化鎵光電探測器
光電探測器在目標(biāo)跟蹤、環(huán)境監(jiān)測、光通信、深空探索等諸多領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。響應(yīng)度和響應(yīng)速度是光電探測器的兩個(gè)關(guān)鍵的性能參數(shù)，然而這兩個(gè)指標(biāo)之間存在著制約關(guān)系，此消彼長。
由于缺乏成熟的材料缺陷控制技術(shù)，該問題在以氧化鎵材料為代表的超寬禁帶半導(dǎo)體探測器中尤為突出。龍世兵教授團(tuán)隊(duì)通過引入額外的輔助光源實(shí)現(xiàn)對(duì)向光柵（OPG）調(diào)控方案（圖2a），來緩解上述制約關(guān)系。
該OPG方案下的Ga2O3/WSe2結(jié)型場效應(yīng)晶體管探測器在目標(biāo)光（深紫外）照射下表現(xiàn)出負(fù)向光柵效應(yīng)（NPG），器件的閾值電壓往負(fù)向移動(dòng)（圖2b）；與之相反，輔助光源（可見光）照射使器件表現(xiàn)出正向光柵效應(yīng)（PPG），器件的閾值電壓往正向移動(dòng)；在目標(biāo)光及輔助光同時(shí)照射下，器件整合了正、負(fù)對(duì)向光柵效應(yīng)，但總體表現(xiàn)為閾值電壓朝負(fù)向移動(dòng)。OPG方案有效抑制器件內(nèi)嚴(yán)重的持續(xù)光電導(dǎo)效應(yīng)，器件的響應(yīng)速度明顯提升（圖2c）。
此外，如圖（2d）所示，OPG調(diào)控方案中引入的輔助性可見光對(duì)器件的光/暗電流比和響應(yīng)度等關(guān)鍵指標(biāo)幾乎不產(chǎn)生影響。最終，當(dāng)OPG方案中的可見光常開，在僅犧牲10.4 %的響應(yīng)度的情況下即實(shí)現(xiàn)了>1200倍響應(yīng)速度的提升，成功削弱了響應(yīng)度和響應(yīng)速度之間的制約關(guān)系。
特別地，當(dāng)通過反饋電路控制輔助光源僅在器件響應(yīng)的下降沿觸發(fā)，將在無響應(yīng)度犧牲的情況下實(shí)現(xiàn)響應(yīng)速度的數(shù)量級(jí)提升。該工作提出了一種光電探測器芯片內(nèi)千萬像素共享一顆輔助LED即可緩解響應(yīng)度與響應(yīng)速度之間的制約關(guān)系的策略，對(duì)光電探測芯片綜合性能的提升有重要的參考意義。
研究成果以“Alleviating the Responsivity-Speed Dilemma of Photodetectors via Opposite Photogating Engineering with an Auxiliary Light Source beyond the Chip”為題發(fā)表在IEDM 2022上。
我校微電子學(xué)院龍世兵教授和趙曉龍?zhí)厝胃毖芯繂T為論文的共同通訊作者，微電子學(xué)院博士生鄒燕妮為論文第一作者，碩士生曾妍和博士生譚鵬舉為論文的共同第一作者。
圖2對(duì)向光柵（OPG）光電探測器概念及基本特性（Source：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)）
上述兩項(xiàng)研究得到了國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院和科技委等的資助，也得到了中國科大微納研究與制造中心、中國科大信息科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心、富芯微電子公司等在器件制備、仿真模擬及封裝方面的支持。（文：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)）
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