近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)微電子學(xué)院龍世兵教授課題組聯(lián)合中科院蘇州納米所加工平臺(tái)在氧化鎵功率電子器件領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，分別采用氧氣氛圍退火和N離子注入技術(shù)，首次研制出了氧化鎵垂直槽柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
功率半導(dǎo)體器件是電力電子系統(tǒng)中的核心元件，主要用于電力設(shè)備的電能變換和控制電路中的大功率，應(yīng)用場(chǎng)景包括工業(yè)控制、可再生能源與新能源系統(tǒng)、電動(dòng)汽車、軌道交通等。隨著新能源汽車等行業(yè)的發(fā)展及其不斷提高的對(duì)電力系統(tǒng)控制能力的要求，以及傳統(tǒng)的Si等半導(dǎo)體材料逐步接近物理極限，氧化鎵作為新一代功率半導(dǎo)體材料，其禁帶寬帶大、擊穿場(chǎng)強(qiáng)高，有望在未來功率器件領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。另外，氧化鎵半導(dǎo)體材料能夠采用熔體法生長(zhǎng)，未來在成本上將比SiC和GaN等材料更具優(yōu)勢(shì)。
氧化鎵材料應(yīng)用難點(diǎn)
①難以實(shí)現(xiàn)氧化鎵的p型摻雜，這導(dǎo)致氧化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管面臨著增強(qiáng)型模式難以實(shí)現(xiàn)和功率品質(zhì)因數(shù)難以提升等問題。
②氧化鎵垂直場(chǎng)效應(yīng)晶體管適應(yīng)于制備高壓大電流器件，相較于制備水平結(jié)構(gòu)的MBE樣品，其材料具有較低成本。但氧化鎵垂直晶體管的若干種結(jié)構(gòu)中，FinFET雖然性能較為優(yōu)異，但工藝難度大，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)。
因此急需設(shè)計(jì)新結(jié)構(gòu)氧化鎵垂直型晶體管，攻克增強(qiáng)型晶體管所需要的電流阻擋層技術(shù)（Currentblocking layer），并運(yùn)用電流阻擋層制備出新設(shè)計(jì)的氧化鎵垂直柵槽晶體管。
氧化鎵垂直槽柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管技術(shù)邏輯
該研究分別采用了氧氣氛圍退火和氮（N）離子注入工藝制備了器件的電流阻擋層，并配合柵槽刻蝕工藝研制出了不需P型摻雜技術(shù)的氧化鎵垂直溝槽場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)。氧氣氛圍退火和N離子注入所形成的電流阻擋層均能夠有效隔絕晶體管源、漏極之間的電流路徑，當(dāng)施加正柵壓后，會(huì)在柵槽側(cè)壁形成電子積累的導(dǎo)電通道，實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的調(diào)控。氧化鎵在氧氣氛圍退火能夠在表面形成補(bǔ)償型缺陷，從而形成高阻層。
氧氣氛圍退火工藝是氧化鎵較為獨(dú)特的一種技術(shù)手段，這種方式的靈感來源于硅工藝的成功秘訣之一——半導(dǎo)體硅的氧氣氛圍退火。類似于硅在氧氣氛圍退火可形成高阻表面層，氧化鎵采用該手段制備電流阻擋層（相比于離子注入）具有缺陷少、無擴(kuò)散、成本低等特點(diǎn)。N離子注入MOSFET基于工業(yè)化高能離子注入設(shè)備，采用N離子注入摻雜工藝，當(dāng)N注入濃度為5×1018cm-3時(shí)，制備的垂直槽柵MOSFET閾值電壓達(dá)到4.2V（@1A/cm2），飽和電流密度高達(dá)702.3A/cm2，導(dǎo)通電阻10.4mΩ·cm2。此外，通過調(diào)節(jié)N離子注入濃度，器件的擊穿電壓可達(dá)到534V，為目前電流阻擋層型氧化鎵MOSFET器件最高值，功率品質(zhì)因數(shù)超過了硅單極器件的理論極限。兩項(xiàng)工作為氧化鎵晶體管找到了新的技術(shù)路線和結(jié)構(gòu)方案。
圖1(a)氧化鎵垂直槽柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)示意圖；(b)器件工作原理示意圖；
(c)N離子注入晶體管的輸出曲線；(d)與已報(bào)道的氧化鎵垂直場(chǎng)效應(yīng)晶體管的性能比較。
該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)研究計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究計(jì)劃、廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研究發(fā)展計(jì)劃及中國(guó)科學(xué)院微電子研究所微電子器件與集成技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題的資助，也得到了中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)微納研究與制造中心、信息科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心、行星探索與前瞻性技術(shù)前沿科學(xué)中心，中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所納米加工平臺(tái)、納米真空互聯(lián)實(shí)驗(yàn)站（Nano-X），以及中科院納米器件與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的支持。相關(guān)研究成果分別以“Enhancement-modeβ-Ga2O3U-shaped gate trench vertical MOSFET realized by oxygen annealing”和“702.3 A·cm-2/10.4 mΩ·cm2Vertical β-Ga2O3U-Shape Trench Gate MOSFET with N-Ion Implantation”為題在線發(fā)表于Applied Physics Letters、IEEE Electron Device Letters期刊。文章的第一作者分別為中國(guó)科大博士生周選擇和馬永健，中國(guó)科大龍世兵教授、徐光偉特任副研究員和蘇州納米所張曉東副研究員為共同通訊作者。
APL論文鏈接：https://doi.org/10.1063/5.0130292
IEEE EDL論文鏈接：https://ieeexplore.ieee.org/document/10013743
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