來自美國和日本的研究團(tuán)隊報告了一種擊穿電壓超過 10 kV 增強型（E-mode）氧化鎵（Ga₂O₃）橫向結(jié)型場效應(yīng)晶體管（JFETs），該器件采用了氧化鎳（NiO）降低表面電場（RESURF）結(jié)構(gòu)和混合漏極（hybrid-drain）的設(shè)計，工作溫度可達(dá)250°C [Yuan Qin et al, IEDM, session 25-5, 2024]。 

該團(tuán)隊由美國弗吉尼亞理工大學(xué)、美國海軍研究實驗室和日本 Novel Crystal Technology 組成，其研究成果于 2024 年 12 月 IEEE 國際電子器件會議（IEDM 2024）上發(fā)布。研究人員表示："我們的器件展示了最高的平均電場強度，并首次報告了碳化硅（SiC）以外的高壓晶體管在 250°C 下的工作溫度和 3 kV 的可靠性數(shù)據(jù)。"  

Ga₂O₃ 具有 4.8 eV 的超寬禁帶（UWBG），而氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）的禁帶寬度分別為 3.4 eV 和 3.3 eV。10 kV 的擊穿性能使這些 JFETs 進(jìn)入中壓（1-35kV）功率電子器件領(lǐng)域，有望在電網(wǎng)和可再生能源設(shè)施中得到廣泛應(yīng)用。 

研究人員指出："高壓（HV）器件的出現(xiàn)可顯著減少器件數(shù)量、簡化電路拓?fù)洌纳葡到y(tǒng)尺寸，提高可靠性。目前商用高壓器件以 6.5 kV 的硅 IGBT 為主；SiC MOSFET 的工程樣品可達(dá) 10 kV。"  

與其他寬禁帶半導(dǎo)體材料不同，Ga₂O₃ 可制備出直徑達(dá) 6 英寸的襯底晶圓，其晶體材料可通過熔融法生長。增強型（常關(guān)型，即在零柵壓下阻斷電流）晶體管通常因其功耗更低且具有故障安全特性，而更受功率電子領(lǐng)域青睞。 

器件設(shè)計（圖1）主要針對 E-mode 操作、電荷平衡和導(dǎo)通電阻（R_on）進(jìn)行優(yōu)化。器件包含 n 型 Ga₂O₃ 溝道、混合 p-NiO/金屬漏極、重?fù)诫s p 型 NiO 柵極以及 p-NiO RESURF 結(jié)構(gòu)。

圖1：(a) 采用 p-NiO RESURF 和混合漏極設(shè)計的 Ga₂O₃ JFET 示意圖：三維結(jié)構(gòu)圖（上）與截面圖（下）。(b) 為實現(xiàn) E-mode 操作，計算的最大溝道厚度（t_D）與施主摻雜濃度（ND）的關(guān)系曲線，界面電荷密度（Q_it）范圍為 0¹³/cm² 至−10¹³/cm²。(c) 關(guān)鍵器件參數(shù)及數(shù)值表

NiO 區(qū)域在柵極 RESURF（R）和混合漏極（Dr）側(cè)分離，以避免穿通。間隙兩側(cè)的 p 型摻雜濃度（N_A^R/N_A^Dr）可獨立優(yōu)化。RESURF 結(jié)構(gòu)設(shè)計與英飛凌商用 GaN 柵極注入晶體管（GITs）類似。 

外延材料通過分子束外延（MBE）在半絕緣（010）Ga₂O₃ 襯底上生長，n 型溝道位于非故意摻雜（UID）層上。制備了兩個樣品 #A 和 #B，其 n 型溝道層厚度（t_d）分別為 50 nm 和 160 nm。更厚的溝道有助于降低 R_on。 

器件制造始于硅注入與激活，隨后沉積源/漏金屬。通過氮離子注入實現(xiàn)電隔離。NiO 材料采用濺射沉積，通過調(diào)節(jié)氧分壓依次形成混合漏極、p⁺⁺ 型柵極和 RESURF 區(qū)域的不同受主濃度。柵極摻雜濃度超過 10¹⁹/cm³。  

#A 和 #B 的閾值電壓（V_TH）分別達(dá)到 1.9 V 和 1.5 V，實現(xiàn)了 E-mode 操作。柵極電位因柵漏電流限制在 3.5-4V 范圍。對應(yīng)的比導(dǎo)通電阻（R_on,_sp）分別為 703 mΩ·cm² 和 92 mΩ·cm²。 

研究人員指出："盡管 #A 器件的 t_d 薄 3.2 倍，但其 R_on 高 7 倍，表明柵極溝道對 R_on 的顯著貢獻(xiàn)——#A 器件柵下未耗盡 Ga₂O₃ 導(dǎo)電溝道更窄。"  當(dāng)器件溫度升至 250°C 時，#A 器件的 V_TH 降至 0.7 V，R_on 較 25°C 時增加 1.6 倍。團(tuán)隊寫道："R_on 的溫度系數(shù)小于 10kV SiC MOSFET 的報道值，表明高溫下傳導(dǎo)損耗更低。”#B JFET 的 V_TH 在約 100°C 時變?yōu)樨?fù)值，150°C 時降至 -3.3 V。超過 175°C 后，柵極失去有效控制能力。

當(dāng)柵極電位為 0 V 時，兩個樣品的擊穿電壓（BV）均超過 10 kV。通過調(diào)節(jié)器件參數(shù)至近電荷平衡狀態(tài)實現(xiàn)最大 BV。最大 BV 對應(yīng)的柵漏間距（L_GD）為 47 μm。團(tuán)隊報告："BV 時的平均橫向電場為 1.75-2.45 MV/cm。"  #A 器件在 250°C 高溫下仍保持高 BV，而 #B 材料在高溫下性能下降，150°C 時 BV 在 -10 V 柵壓下低于 10 kV。  

研究人員還進(jìn)行了 150°C 高溫柵偏壓/反向偏壓（HTGB/HTRB）可靠性測試。在 HTGB 測試中，#A 和 #B 器件的閾值電壓偏移和導(dǎo)通電阻偏移分別在 0.32 V 和 35% 范圍內(nèi)，且完全可恢復(fù)。#B 器件的 HTRB 研究顯示存在漏致勢壘降低（DIBL）效應(yīng)，V_TH 偏移 -3 V（基本可恢復(fù)）。  

研究人員解釋："#B 器件的厚溝道導(dǎo)致勢壘降低和高壓 V_D 下的穿通。這種 DIBL 可能因 Q_it 及其高溫加速去俘獲而惡化。"  #A 器件的閾值偏移在 0.2 V 內(nèi)，導(dǎo)通電阻增加了 34%，所有參數(shù)偏移均可完全恢復(fù)，但 #A 器件的缺點是由于溝道較窄導(dǎo)致導(dǎo)通電阻較高。

圖2：比導(dǎo)通電阻（R_on,_sp）與擊穿電壓（BV）的基準(zhǔn)對比，針對擊穿電壓>2 kV 的超寬禁帶（UWBG）功率晶體管。彩色虛線表示不同半導(dǎo)體材料（SiC/GaN/Ga₂O₃）的理論極限

通過對比文獻(xiàn)中的 R_on,_sp 和 BV 性能（圖2），研究人員報告 #A 和 #B 器件的品質(zhì)因數(shù)（FOMs，BV²/R_on,_sp）分別至少為 142 MW/cm² 和 1086 MW/cm²（BV>10kV）。這些數(shù)值被宣稱是"所有 BV > 3kV 的 UWBG 晶體管中的新紀(jì)錄"。團(tuán)隊補充："#A 器件也是所有 > 3 kV UWBG 晶體管中首個報道的 E-mode 器件。

 

文章鏈接：

https://www.semiconductor-today.com/news_items/2025/feb/virginia-130225.shtml

 

本文轉(zhuǎn)載自《亞洲氧化鎵聯(lián)盟》訂閱號