近些年來(lái)，P-NiO/N-Ga2O3氧化鎵異質(zhì)結(jié)的引入暫時(shí)解決了氧化鎵中有效P型摻雜的問(wèn)題。P型NiO禁帶寬度為3.8-4 eV與氧化鎵禁帶寬度相差較小，摻雜濃度在1017-1019 cm-3范圍可控，一些優(yōu)異的P-NiO/N-Ga2O3氧化鎵異質(zhì)結(jié)已經(jīng)被報(bào)道。然而，P-NiO/N-Ga2O3氧化鎵異質(zhì)結(jié)的導(dǎo)通電阻相對(duì)較大，對(duì)功率器件的研制并不友好。因此，我們團(tuán)隊(duì)研制了P-NiO/N-Ga2O3異質(zhì)結(jié)型勢(shì)壘肖特基二極管(HJBS)，如下圖1所示，該HJBS在很大程度上降低了導(dǎo)通電阻，實(shí)現(xiàn)了0.93GW/cm2的優(yōu)異性能，為國(guó)際同期氧化鎵二極管功率性能的最高水平。

 

　　

 

　　圖1 (a)、(b)分別為P-NiO/N-Ga2O3

 

　　HJBS二極管的結(jié)構(gòu)示意圖、光學(xué)圖

 

 

　　圖2 (a)、(b)分別為線性和對(duì)數(shù)條件下的正向I-V特性曲線

 

　　如圖2所示，在改變fin寬度為5 μm，半徑為60 μm的HJBS二極管在正向偏壓為4.2 V時(shí)，正向電流最高達(dá)到824 A/cm2，此時(shí)導(dǎo)通電阻為1.91 mΩ?cm2。而當(dāng)fin寬度為1.5 μm時(shí)，器件導(dǎo)通電阻增大（2.45 mΩ?cm2）是由于更小的fin寬度，使得水平的側(cè)壁耗盡增強(qiáng)，進(jìn)而增大了開(kāi)啟電壓。通過(guò)采用該HJBS結(jié)構(gòu)，正向?qū)〞r(shí)，由于P-NiO更高的摻雜濃度，空穴注入N-Ga2O3時(shí)是大注入，為了達(dá)到電學(xué)平衡，Ga2O3中產(chǎn)生更多的電子，電導(dǎo)調(diào)制使得器件導(dǎo)通電阻降低。在對(duì)數(shù)正向I-V特性曲線圖 (b)，可以看出，三種器件的開(kāi)關(guān)比均達(dá)到了1011-1012，三種不同fin寬度分別為1.5 μm、3 μm、5 μm的HJBS二極管的理想因子分別為1.35、1.8、1.8。

 

 

　　圖3 (a)HJBS器件和普通SBD的反向I-V特性曲線

 

　　(b)氧化鎵二極管的功率性能對(duì)比圖

 

　　(c)器件發(fā)生擊穿的光學(xué)圖片

 

　　在室溫下，對(duì)以上器件進(jìn)行了反向擊穿測(cè)試，為了進(jìn)行對(duì)比，制備了同樣工藝的沒(méi)有任何終端的SBD。普通SBD的擊穿電壓為300 V，三種fin寬度不同器件的擊穿沒(méi)有明顯的差異，其中fin寬度為3 μm的器件的擊穿電壓為1340 V，結(jié)合器件的導(dǎo)通電阻1.94 mΩ?cm2，器件的功率優(yōu)值(P-FOM=BV2/Ron,sp)達(dá)到0.93 GW/cm2，為國(guó)際同期氧化鎵二極管的最高水平。因?yàn)槿N器件的陽(yáng)極金屬一致，它們的勢(shì)壘高度也一樣，當(dāng)反向偏壓增加時(shí)，勢(shì)壘頂部會(huì)變得尖銳，電子可以通過(guò)，所以反向電流增加。然而，由于更小的fin寬度實(shí)現(xiàn)了更大程度上的水平側(cè)壁耗盡，耗盡區(qū)也更寬，有更少的電子可以隧穿通過(guò)勢(shì)壘，所以反向偏壓增大時(shí)，更小fin寬度的器件反向泄漏電流會(huì)更小。當(dāng)反向偏壓進(jìn)一步增大時(shí)，陽(yáng)極邊緣電場(chǎng)集中效應(yīng)對(duì)器件發(fā)生擊穿占據(jù)了主導(dǎo)作用，所以最終三種不同fin寬度的器件擊穿電壓差異不大，同時(shí)從器件發(fā)生擊穿都在陽(yáng)極邊緣的光學(xué)圖片也能驗(yàn)證這點(diǎn)。

 

　　同時(shí)，我們研究了通過(guò)加入P型NiO材料實(shí)現(xiàn)了高性能的氧化鎵基場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件，通過(guò)NiO與氧化鎵的異質(zhì)PN結(jié)成功制備出具有高性能的二極管和結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管，器件的機(jī)構(gòu)示意圖及氧化鎵與NiO界面的HRTEM圖如下。

 

 

　　圖4 (a)氧化鎵結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件的示意圖

 

　　(b)NiO與氧化鎵界面的HRTEM圖

 

　　由于氧化鎵缺失同質(zhì)PN結(jié)，引入P型NiO材料與氧化鎵構(gòu)成異質(zhì)PN結(jié)可在一定程度上增加器件的內(nèi)建電勢(shì)差，加強(qiáng)N型氧化鎵的耗盡作用，同時(shí)NiO具有可觀的約4.0 eV的禁帶寬度，使得擁有PN結(jié)的器件臨界電場(chǎng)強(qiáng)度損失較小。對(duì)于結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管，PN結(jié)的垂直耗盡作用可以增加器件零偏置的耗盡寬度，因此器件可以選取更厚或者摻雜濃度更高的外延層，這可以降低功率器件導(dǎo)通時(shí)的壓降，降低器件工作狀態(tài)的功率損耗。

 

 

　　圖5 PN二極管的(a)導(dǎo)通關(guān)系，(b)反向耐壓關(guān)系，(c)Benchmark圖

 

　　制備的PN結(jié)正向與反向電流電壓關(guān)系式如上圖5所示，該器件開(kāi)關(guān)比達(dá)到109，開(kāi)啟電壓為2.6 V，正向電流在偏置為5V時(shí)達(dá)到1.3 kA/cm2，特征導(dǎo)通電阻為1.08 mΩ?cm2, 同時(shí)由于PN結(jié)具有較肖特基結(jié)更小的泄漏電流，器件擊穿電壓可達(dá)到1.22 kV。器件功率優(yōu)值可通過(guò)擊穿電壓的平方除以特征導(dǎo)通電阻計(jì)算得到，此PN結(jié)的功率優(yōu)值可高達(dá)1.38 GW/cm2, 由上圖5(c)可看到此器件性能處于同期領(lǐng)先地位，標(biāo)志著此器件具有較高的反向耐壓同時(shí)兼顧較小功率損耗的能力。

 

　　圖6 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管的(a)輸出曲線，(b)轉(zhuǎn)移曲線

 

　　(c)擊穿圖，(d)Benchmark圖

 

　　通過(guò)柵極采用NiO材料，該結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件最大飽和導(dǎo)通電流達(dá)到455 mA/mm、特征導(dǎo)通電阻達(dá)到3.19 mΩ?cm2, 由轉(zhuǎn)移曲線可以看到器件的閾值電壓為-13 V，亞閾值擺幅為75 mV/dec、短溝道效應(yīng)為6 mV/V、電流開(kāi)關(guān)比達(dá)到1010。通過(guò)圖(c)可以看到器件擊穿達(dá)到1115V，因此此結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管的功率優(yōu)值達(dá)到0.39 GW/cm2,從圖(d) benchmark圖可看到此性能也處于國(guó)際同期領(lǐng)先地位，給出了一種未來(lái)氧化鎵基器件發(fā)展路線。

 

　　總結(jié)

 

　　最后，談一點(diǎn)功率器件的研制心得，為了提升器件耐壓，絕大部分時(shí)候需要考慮終端緩解電場(chǎng)，其中包括離子注入形成高阻區(qū)域、場(chǎng)板結(jié)構(gòu)舒緩峰值電場(chǎng)、單個(gè)或多個(gè)PN結(jié)（超結(jié)）。針對(duì)超寬禁帶半導(dǎo)體，往往較難同時(shí)實(shí)現(xiàn)P型和N型摻雜，同質(zhì)PN結(jié)的實(shí)現(xiàn)具有較大的挑戰(zhàn)，因此異質(zhì)PN結(jié)是一個(gè)不錯(cuò)的選擇并可有效實(shí)現(xiàn)高性能終端技術(shù)。更進(jìn)一步，高耐壓同時(shí)也需要漂移區(qū)的摻雜濃度較低，器件導(dǎo)通電阻將會(huì)增加。在引入PN結(jié)以后，理論上來(lái)講器件在大偏壓情況下會(huì)實(shí)現(xiàn)雙極輸運(yùn)和電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，從而降低器件導(dǎo)通電阻提升器件整體性能。歸納起來(lái)，高性能的功率器件總是離不開(kāi)PN結(jié)，因此在設(shè)計(jì)功率器件的時(shí)候需要考慮引入PN結(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)器件性能的提升。

 

　　參考文獻(xiàn)

 

　　【1】Qinglong Yan, Hehe Gong, Jincheng Zhang, Jiandong Ye, Hong Zhou, Zhihong Liu, Shengrui Xu, Chenlu Wang, Zhuangzhuang Hu, Qian Feng, Jing Ning, Chunfu Zhang, Peijun Ma, Rong Zhang, and Yue Hao,“β-Ga2O3 hetero-junction barrier Schottky diode with reverse leakage current modulation and BV2/Ron,sp value of 0.93 GW/cm2,” Appl. Phys. Lett. 118, 122102 , 2021. (IF=3.791, SCI, 二區(qū))

 

　　【2】Chenlu Wang, Hehe Gong, Weina Lei, Yuncong Cai, Zhuangzhuang Hu, Shengrui Xu, Zhihong Liu, Qian Feng, Hong Zhou, Jiandong Ye, Jinfeng Zhang, Rong Zhang, and Yue Hao, “Demonstration of the p-NiOx/n-Ga2O3 Heterojunction Gate FETs and Diodes with BV2/Ron,sp Figures of Merit of 0.39 GW/cm2 and 1.38 GW/cm2,” in IEEE Electron Device Letters, vol. 42, no. 4, pp. 485-488, April 2021. (IF=4.187, SCI, 二區(qū))

　

 

　　作者：周弘，西安電子科技大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師。2017年在普渡大學(xué)獲得博士學(xué)位，2017年-2018年在加州大學(xué)伯克利分校進(jìn)行博士后研究，2018年歸國(guó)加入西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院。主要研究方向?yàn)閷捊麕Ш统瑢捊麕О雽?dǎo)體功率器件，取得一系列寬禁帶半導(dǎo)體微波功率與電力電子器件的國(guó)際最高指標(biāo)。入選海外高層次留學(xué)歸國(guó)人員、第三批GF青年托舉人才，Google學(xué)術(shù)引用超過(guò)2500次。