中国科大在氧化镓功率电子器件领域取得重要进展

近日，中国科大微电子学院龙世兵教授课题组两篇论文入选第34届功率半导体器件和集成电路国际会议（ISPSD，全称为：IEEE International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs）。ISPSD是功率半导体器件和集成电路领域国际顶级学术会议。

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。该课题组针对这两个痛点分别做了如下工作：

1、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（Weibing Hao, et.al., Applied Physics Letters, 118, 043501, 2021），设计了结终端扩展结构（Junction Termination Extension, 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2.66 kV的高击穿电压，其功率品质因数高达2.83 GW/cm2。此外，器件在250 °C下仍能保持1.77 kV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。研究成果以“2.6 kV NiO/Ga2O3Heterojunction Diode with Superior High-Temperature Voltage Blocking Capability”为题发表在ISPSD 2022上。第一作者为我校微电子学院博士生郝伟兵，微电子学院龙世兵教授和徐光伟特任副研究员为论文共同通讯作者。

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。