近日，中國科學技術大學微電子學院龍世兵教授課題組聯(lián)合中科院蘇州納米所加工平臺在氧化鎵功率電子器件領域取得重要進展，分別采用氧氣氛圍退火和N離子注入技術，首次研制出了氧化鎵垂直槽柵場效應晶體管。
相關研究成果分別以“Enhancement-modeβ-Ga2O3U-shaped gate trench vertical MOSFET realized by oxygen annealing”和“702.3 A·cm-2/10.4 mΩ·cm2Vertical β-Ga2O3U-Shape Trench Gate MOSFET with N-Ion Implantation”為題在線發(fā)表于Applied Physics Letters、IEEE Electron Device Letters期刊。
功率半導體器件是電力電子系統(tǒng)中的核心元件，主要用于電力設備的電能變換和控制電路中的大功率，應用場景包括工業(yè)控制、可再生能源與新能源系統(tǒng)、電動汽車、軌道交通等。
隨著新能源汽車等行業(yè)的發(fā)展及其不斷提高的對電力系統(tǒng)控制能力的要求，以及傳統(tǒng)的Si等半導體材料逐步接近物理極限，氧化鎵作為新一代功率半導體材料，其禁帶寬帶大、擊穿場強高，有望在未來功率器件領域發(fā)揮重要的作用。
另外，氧化鎵半導體材料能夠采用熔體法生長，未來在成本上將比SiC和GaN等材料更具優(yōu)勢。
目前，氧化鎵材料面臨一個重要的難點：難以實現(xiàn)氧化鎵的p型摻雜，這導致氧化鎵場效應晶體管面臨著增強型模式難以實現(xiàn)和功率品質(zhì)因數(shù)難以提升等問題。氧化鎵垂直場效應晶體管適應于制備高壓大電流器件，相較于制備水平結構的MBE樣品，其材料具有較低成本。
氧化鎵垂直晶體管的若干種結構中，F(xiàn)inFET雖然性能較為優(yōu)異，但工藝難度大，難以實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)。因此急需設計新結構氧化鎵垂直型晶體管，攻克增強型晶體管所需要的電流阻擋層技術（Currentblocking layer），并運用電流阻擋層制備出新設計的氧化鎵垂直柵槽晶體管。
在本次報道的工作中，分別采用了氧氣氛圍退火和氮（N）離子注入工藝制備了器件的電流阻擋層，并配合柵槽刻蝕工藝研制出了不需P型摻雜技術的氧化鎵垂直溝槽場效應晶體管結構。
圖1(a)氧化鎵垂直槽柵場效應晶體管結構示意圖；(b)器件工作原理示意圖；(c)N離子注入晶體管的輸出曲線；(d)與已報道的氧化鎵垂直場效應晶體管的性能比較。
氧氣氛圍退火和N離子注入所形成的電流阻擋層均能夠有效隔絕晶體管源、漏極之間的電流路徑，當施加正柵壓后，會在柵槽側壁形成電子積累的導電通道，實現(xiàn)對電流的調(diào)控。
氧化鎵在氧氣氛圍退火能夠在表面形成補償型缺陷，從而形成高阻層。氧氣氛圍退火工藝是氧化鎵較為獨特的一種技術手段，這種方式的靈感來源于硅工藝的成功秘訣之一——半導體硅的氧氣氛圍退火。類似于硅在氧氣氛圍退火可形成高阻表面層，氧化鎵采用該手段制備電流阻擋層（相比于離子注入）具有缺陷少、無擴散、成本低等特點。
N離子注入MOSFET基于工業(yè)化高能離子注入設備，采用N離子注入摻雜工藝，當N注入濃度為5×1018cm-3時，制備的垂直槽柵MOSFET閾值電壓達到4.2V（@1A/cm2），飽和電流密度高達702.3A/cm2，導通電阻10.4mΩ·cm2。此外，通過調(diào)節(jié)N離子注入濃度，器件的擊穿電壓可達到534V，為目前電流阻擋層型氧化鎵MOSFET器件最高值，功率品質(zhì)因數(shù)超過了硅單極器件的理論極限。兩項工作為氧化鎵晶體管找到了新的技術路線和結構方案。
APL論文鏈接：
https://doi.org/10.1063/5.0130292
IEEE EDL論文鏈接：
https://ieeexplore.ieee.org/document/10013743
（文：中國科學技術大學科研部）
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