半導(dǎo)體材料氧化鎵因其超寬禁帶和高臨界擊穿電場，其巴利加優(yōu)值（3444）遠(yuǎn)大于 SiC（340）和 GaN（870），且可通過多種較低成本的熔體法生長高質(zhì)量、大尺寸的單晶，能夠滿足新一代電源系統(tǒng)與功率電子裝置大功率、高效率和小型化發(fā)展需要。氧化鎵被某國明確列為出口管制，近日，我國也對鎵、鍺相關(guān)物項實施出口管制，氧化鎵已成為國際科技戰(zhàn)略必爭高地，是國內(nèi)外研究的熱點和重點。近年來，電子科技大學(xué)羅小蓉教授課題組開啟超寬禁帶氧化鎵器件研究，在新型氧化鎵功率整流管和晶體管及其可靠性研究方面取得一系列新進(jìn)展，在領(lǐng)域國際權(quán)威期刊和頂級會議發(fā)表多篇論文，授權(quán)多項專利。
一、氧化鎵功率器件
針對氧化鎵功率器件的擊穿電壓遠(yuǎn)低于理論極限且難以實現(xiàn)增強型器件的技術(shù)難點，項目團隊提出4個新結(jié)構(gòu)，提高整流器件耐壓并降低開啟電壓，提升晶體管閾值電壓并降低反向?qū)▔航?。研制出具有空氣橋場板和熱氧化終端復(fù)合結(jié)構(gòu)的氧化鎵肖特基勢壘二極管（CT SBD）[1]，與無復(fù)合終端結(jié)構(gòu)的器件相比，擊穿電壓提高176%，且反向恢復(fù)時間相較于商用SiC和Si二極管分別降低25%和81%。研制具有NiO/氧化鎵異質(zhì)結(jié)和場板的氧化鎵結(jié)勢壘肖特基二極管（FP JBSD）[7]，在3000分鐘高溫應(yīng)力前后，F(xiàn)P JBSD的正向I-V、C-V特性和擊穿電壓幾乎不變。提出具有Fin溝道、歐姆接觸陽極和復(fù)合場板的無結(jié)二極管（FOCF Diode）[2]，實現(xiàn)0.45V低開啟電壓；并將該氧化鎵無結(jié)二極管與FinFET兼容集成，使得閾值電壓和反向?qū)妷嚎梢詥为毧刂?，獲得兼具低反向?qū)妷?.45V和高閾值電壓1.6V的增強型氧化鎵RC-FinFET [3]，增強其在高功率和低損耗功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的應(yīng)用潛力。
二、氧化鎵 MOSFET可靠性
氧化鎵器件有望在大功率和高溫等極端環(huán)境下工作，因此研究氧化鎵器件在電場和熱場下等多物理場下缺陷響應(yīng)機制并提出可靠性加固技術(shù)對于推進(jìn)其應(yīng)用至關(guān)重要。團隊系統(tǒng)性的分析了氧化鎵 MOSFET在電-熱應(yīng)力下的不穩(wěn)定性，揭示了電場、熱場下的器件性能退化機制和物理模型。研究發(fā)現(xiàn)，隨著應(yīng)力時間(ts)的增加，正偏壓應(yīng)力（PBS）會使氧化層中的邊界陷阱捕獲溝道電子導(dǎo)致VGS-IDS曲線正向漂移，隨著環(huán)境溫度的升高，遲滯分析發(fā)現(xiàn)深受主界面態(tài)逐漸被激活并參與捕獲過程。在125℃正偏壓應(yīng)力(PBTS)下，深受主界面態(tài)與邊界陷阱一起導(dǎo)致器件發(fā)生更加嚴(yán)重的VGS-IDS曲線漂移[4]。與正偏壓應(yīng)力不同，常溫負(fù)偏壓應(yīng)力（NBS）下邊界陷阱（ΔNbd）、界面態(tài)（ΔNit）和體陷阱三者共同作用導(dǎo)致氧化鎵 MOSFET性能的退化，提出的電離陷阱模型解釋了正/負(fù)偏壓應(yīng)力下的非統(tǒng)一機制，并通過仿真驗證了模型的準(zhǔn)確性[5]。研究了NiO/β-氧化鎵異質(zhì)結(jié)柵FET在不同應(yīng)力大小和應(yīng)力時間下的退化機制，發(fā)現(xiàn)在負(fù)偏壓應(yīng)力下存在兩種不同的退化機制，這為NiO/β-氧化鎵異質(zhì)結(jié)器件開發(fā)可靠性加固技術(shù)提供理論指導(dǎo)[6]。
據(jù)悉，電子科技大學(xué)羅小蓉教授課題組近年來牽頭和參與了2項國家某科技計劃重點項目，其中1項電子科技大學(xué)作為牽頭單位，羅小蓉作為技術(shù)首席，與國內(nèi)在超寬禁帶半導(dǎo)體氧化鎵材料與器件領(lǐng)域的一流團隊如中電集團第13研究所、西安電子科技大學(xué)和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)等單位緊密合作，項目取得系列重要進(jìn)展。
原文鏈接：
[1] https://ieeexplore.ieee.org/document/9392264
[2] https://ieeexplore.ieee.org/document/9975152
[3] https://ieeexplore.ieee.org/document/10130497
[4] https://ieeexplore.ieee.org/document/9831113
[5] https://ieeexplore.ieee.org/document/9882012
[6] http://www.jos.ac.cn/en/article/id/b242a0ef-b389-4569-b50d-cc004066034c
