浙江大學盛況教授、王珩宇研究員團隊聯合南京大學葉建東教授、香港大學張宇昊教授針對高壓垂直型氧化鎵功率器件的終端電場調控難題開展研究攻關。

功率半導體器件是實現高效能量轉換的關鍵，對于減少能量損耗、降低二氧化碳排放以及推動可持續技術的發展具有重大意義。隨著寬禁帶（WBG）和超寬禁帶（UWBG）半導體材料的引入以及相關器件創新的不斷涌現，功率半導體器件正以前所未有的速度向前發展。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因數（PFOM）方面相較于SiC和GaN等其他寬禁帶材料更具優勢。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襯底。這些特性不僅有利于實現高質量的同質外延生長，還為構建低成本的器件平臺提供了可能。基于這些優勢，β-Ga₂O₃器件已經實現了超過8 kV的高擊穿電壓和超過100 A的大電流，并且已經成功應用于功率轉換器中。

然而，沒有本征p型摻雜的β-Ga2O3讓傳統 p–n 結邊緣的電場調控異常困難——電場一擁擠，芯片就“原地爆炸”。現有的一項主要方案是通過自對準臺面刻蝕工藝，從而減小陽極與臺面的間隙，進而降低電場尖峰，實現器件性能的提升。盡管自對準刻蝕可以帶來優異的性能提升，但是它的工藝制備兼容性不夠好，泛化能力不強；同時刻蝕后的側壁在鈍化后會存在大量電荷，影響器件性能。

為了應對這一挑戰，我們提出了一種深臺面結構，通過p型NiO覆蓋在Ga₂O₃側壁上作為邊緣終端（RESURF），這種p型NiO可以提供正電荷，優化電場分布。這種RESURF臺面終端不僅實現了有效的電場管理，而且可以拓展臺面終端的通用性，不要求高精度的對準，可以擴展到更多種類的器件中，是一種泛用終端技術。此外，這種基于結的臺面終端可以最大限度地減少介電電荷對邊緣終端有效性的影響。我們基于這種新型結構實現了最高3214V的耐壓，同時也將此結構擴展到了不同外延摻雜的芯片上，該終端結構依舊能高效的工作，在不同的外延上都實現了4.2-4.4MV/cm的結電場。

圖1 提出的RESURF-mesa的（a）器件結構，（b）正向導通特性，（c）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。本項工作與其他報道的結果對比：（b）BV versus Ron,sp，（c）Junction Field versus Drift Doping.

本文轉發自《亞洲氧化鎵聯盟》訂閱號