近些年來，P-NiO/N-Ga2O3氧化鎵異質結的引入暫時解決了氧化鎵中有效P型摻雜的問題。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氧化鎵異質結已經(jīng)被報道。然而，P-NiO/N-Ga2O3氧化鎵異質結的導通電阻相對較大，對功率器件的研制并不友好。因此，我們團隊研制了P-NiO/N-Ga2O3異質結型勢壘肖特基二極管(HJBS)，如下圖1所示，該HJBS在很大程度上降低了導通電阻，實現(xiàn)了0.93GW/cm2的優(yōu)異性能，為國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二極管的結構示意圖、光學圖

 

 

　　圖2 (a)、(b)分別為線性和對數(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，正向電流最高達到824 A/cm2，此時導通電阻為1.91 mΩ?cm2。而當fin寬度為1.5 μm時，器件導通電阻增大（2.45 mΩ?cm2）是由于更小的fin寬度，使得水平的側壁耗盡增強，進而增大了開啟電壓。通過采用該HJBS結構，正向導通時，由于P-NiO更高的摻雜濃度，空穴注入N-Ga2O3時是大注入，為了達到電學平衡，Ga2O3中產(chǎn)生更多的電子，電導調制使得器件導通電阻降低。在對數(shù)正向I-V特性曲線圖 (b)，可以看出，三種器件的開關比均達到了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比圖

 

　　(c)器件發(fā)生擊穿的光學圖片

 

　　在室溫下，對以上器件進行了反向擊穿測試，為了進行對比，制備了同樣工藝的沒有任何終端的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，結合器件的導通電阻1.94 mΩ?cm2，器件的功率優(yōu)值(P-FOM=BV2/Ron,sp)達到0.93 GW/cm2，為國際同期氧化鎵二極管的最高水平。因為三種器件的陽極金屬一致，它們的勢壘高度也一樣，當反向偏壓增加時，勢壘頂部會變得尖銳，電子可以通過，所以反向電流增加。然而，由于更小的fin寬度實現(xiàn)了更大程度上的水平側壁耗盡，耗盡區(qū)也更寬，有更少的電子可以隧穿通過勢壘，所以反向偏壓增大時，更小fin寬度的器件反向泄漏電流會更小。當反向偏壓進一步增大時，陽極邊緣電場集中效應對器件發(fā)生擊穿占據(jù)了主導作用，所以最終三種不同fin寬度的器件擊穿電壓差異不大，同時從器件發(fā)生擊穿都在陽極邊緣的光學圖片也能驗證這點。

 

　　同時，我們研究了通過加入P型NiO材料實現(xiàn)了高性能的氧化鎵基場效應晶體管器件，通過NiO與氧化鎵的異質PN結成功制備出具有高性能的二極管和結型場效應晶體管，器件的機構示意圖及氧化鎵與NiO界面的HRTEM圖如下。

 

 

　　圖4 (a)氧化鎵結型場效應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PN結，引入P型NiO材料與氧化鎵構成異質PN結可在一定程度上增加器件的內建電勢差，加強N型氧化鎵的耗盡作用，同時NiO具有可觀的約4.0 eV的禁帶寬度，使得擁有PN結的器件臨界電場強度損失較小。對于結型場效應晶體管，PN結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通時的壓降，降低器件工作狀態(tài)的功率損耗。

 

 

　　圖5 PN二極管的(a)導通關系，(b)反向耐壓關系，(c)Benchmark圖

 

　　制備的PN結正向與反向電流電壓關系式如上圖5所示，該器件開關比達到109，開啟電壓為2.6 V，正向電流在偏置為5V時達到1.3 kA/cm2，特征導通電阻為1.08 mΩ?cm2, 同時由于PN結具有較肖特基結更小的泄漏電流，器件擊穿電壓可達到1.22 kV。器件功率優(yōu)值可通過擊穿電壓的平方除以特征導通電阻計算得到，此PN結的功率優(yōu)值可高達1.38 GW/cm2, 由上圖5(c)可看到此器件性能處于同期領先地位，標志著此器件具有較高的反向耐壓同時兼顧較小功率損耗的能力。

 

　　圖6 結型場效應晶體管的(a)輸出曲線，(b)轉移曲線

 

　　(c)擊穿圖，(d)Benchmark圖

 

　　通過柵極采用NiO材料，該結型場效應晶體管器件最大飽和導通電流達到455 mA/mm、特征導通電阻達到3.19 mΩ?cm2, 由轉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、短溝道效應為6 mV/V、電流開關比達到1010。通過圖(c)可以看到器件擊穿達到1115V，因此此結型場效應晶體管的功率優(yōu)值達到0.39 GW/cm2,從圖(d) benchmark圖可看到此性能也處于國際同期領先地位，給出了一種未來氧化鎵基器件發(fā)展路線。

 

　　總結

 

　　最后，談一點功率器件的研制心得，為了提升器件耐壓，絕大部分時候需要考慮終端緩解電場，其中包括離子注入形成高阻區(qū)域、場板結構舒緩峰值電場、單個或多個PN結（超結）。針對超寬禁帶半導體，往往較難同時實現(xiàn)P型和N型摻雜，同質PN結的實現(xiàn)具有較大的挑戰(zhàn)，因此異質PN結是一個不錯的選擇并可有效實現(xiàn)高性能終端技術。更進一步，高耐壓同時也需要漂移區(qū)的摻雜濃度較低，器件導通電阻將會增加。在引入PN結以后，理論上來講器件在大偏壓情況下會實現(xiàn)雙極輸運和電導調制效應，從而降低器件導通電阻提升器件整體性能。歸納起來，高性能的功率器件總是離不開PN結，因此在設計功率器件的時候需要考慮引入PN結實現(xiàn)對器件性能的提升。

 

　　參考文獻

 

　　【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，西安電子科技大學教授，博士生導師。2017年在普渡大學獲得博士學位，2017年-2018年在加州大學伯克利分校進行博士后研究，2018年歸國加入西安電子科技大學微電子學院。主要研究方向為寬禁帶和超寬禁帶半導體功率器件，取得一系列寬禁帶半導體微波功率與電力電子器件的國際最高指標。入選海外高層次留學歸國人員、第三批GF青年托舉人才，Google學術引用超過2500次。