浙江大學(xué)盛況教授、王珩宇研究員團(tuán)隊(duì)聯(lián)合南京大學(xué)葉建東教授、香港大學(xué)張宇昊教授針對(duì)高壓垂直型氧化鎵功率器件的終端電場(chǎng)調(diào)控難題開展研究攻關(guān)。

功率半導(dǎo)體器件是實(shí)現(xiàn)高效能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵，對(duì)于減少能量損耗、降低二氧化碳排放以及推動(dòng)可持續(xù)技術(shù)的發(fā)展具有重大意義。隨著寬禁帶（WBG）和超寬禁帶（UWBG）半導(dǎo)體材料的引入以及相關(guān)器件創(chuàng)新的不斷涌現(xiàn)，功率半導(dǎo)體器件正以前所未有的速度向前發(fā)展。在眾多新興材料中，β-Ga₂O₃擁有4.5~4.9 eV的超寬禁帶、8 MV/cm的高臨界電場(chǎng)以及250 cm²/V·s的可觀電子遷移率，這些特性使其在功率品質(zhì)因數(shù)（PFOM）方面相較于SiC和GaN等其他寬禁帶材料更具優(yōu)勢(shì)。此外，β-Ga₂O₃還具備可控的n型摻雜濃度以及易于獲得的熔融生長(zhǎng)襯底。這些特性不僅有利于實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的同質(zhì)外延生長(zhǎng)，還為構(gòu)建低成本的器件平臺(tái)提供了可能。基于這些優(yōu)勢(shì)，β-Ga₂O₃器件已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了超過8 kV的高擊穿電壓和超過100 A的大電流，并且已經(jīng)成功應(yīng)用于功率轉(zhuǎn)換器中。

然而，沒有本征p型摻雜的β-Ga2O3讓傳統(tǒng) p–n 結(jié)邊緣的電場(chǎng)調(diào)控異常困難——電場(chǎng)一擁擠，芯片就“原地爆炸”。現(xiàn)有的一項(xiàng)主要方案是通過自對(duì)準(zhǔn)臺(tái)面刻蝕工藝，從而減小陽極與臺(tái)面的間隙，進(jìn)而降低電場(chǎng)尖峰，實(shí)現(xiàn)器件性能的提升。盡管自對(duì)準(zhǔn)刻蝕可以帶來優(yōu)異的性能提升，但是它的工藝制備兼容性不夠好，泛化能力不強(qiáng)；同時(shí)刻蝕后的側(cè)壁在鈍化后會(huì)存在大量電荷，影響器件性能。

為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，我們提出了一種深臺(tái)面結(jié)構(gòu)，通過p型NiO覆蓋在Ga₂O₃側(cè)壁上作為邊緣終端（RESURF），這種p型NiO可以提供正電荷，優(yōu)化電場(chǎng)分布。這種RESURF臺(tái)面終端不僅實(shí)現(xiàn)了有效的電場(chǎng)管理，而且可以拓展臺(tái)面終端的通用性，不要求高精度的對(duì)準(zhǔn)，可以擴(kuò)展到更多種類的器件中，是一種泛用終端技術(shù)。此外，這種基于結(jié)的臺(tái)面終端可以最大限度地減少介電電荷對(duì)邊緣終端有效性的影響。我們基于這種新型結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了最高3214V的耐壓，同時(shí)也將此結(jié)構(gòu)擴(kuò)展到了不同外延摻雜的芯片上，該終端結(jié)構(gòu)依舊能高效的工作，在不同的外延上都實(shí)現(xiàn)了4.2-4.4MV/cm的結(jié)電場(chǎng)。

圖1 提出的RESURF-mesa的（a）器件結(jié)構(gòu)，（b）正向?qū)ㄌ匦裕╟）阻斷特性（不同NiO厚度的情況下）。

圖2（a）RESURF-mesa在三種外延條件下的反向特性比較。本項(xiàng)工作與其他報(bào)道的結(jié)果對(duì)比：（b）BV versus Ron,sp，（c）Junction Field versus Drift Doping.

本文轉(zhuǎn)發(fā)自《亞洲氧化鎵聯(lián)盟》訂閱號(hào)