原创 【科研速递】氧化镓结型场效应晶体管击穿电压突破10千伏

来自美国和日本的研究团队报告了一种击穿电压超过10kV增强型（E-mode）氧化镓（Ga₂O₃）横向结型场效应晶体管（JFETs），该器件采用了氧化镍（NiO）降低表面电场（RESURF）结构和混合漏极（hybrid-drain）的设计，工作温度可达250°C[Yuan Qin et al, IEDM, session 25-5, 2024]。

该团队由美国弗吉尼亚理工大学、美国海军研究实验室和日本Novel Crystal Technology组成，其研究成果于2024年12月IEEE国际电子器件会议（IEDM 2024）上发布。研究人员表示："我们的器件展示了最高的平均电场强度，并首次报告了碳化硅（SiC）以外的高压晶体管在 250°C 下的工作温度和 3kV 的可靠性数据。"  

Ga₂O₃具有4.8eV的超宽禁带（UWBG），而氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）的禁带宽度分别为3.4eV和3.3eV。10kV的击穿性能使这些JFETs进入中压（1-35kV）功率电子器件领域，有望在电网和可再生能源设施中得到广泛应用。 

研究人员指出："高压（HV）器件的出现可显著减少器件数量、简化电路拓扑，改善系统尺寸，提高可靠性。目前商用高压器件以6.5kV的硅IGBT为主；SiC MOSFET的工程样品可达10kV。"  

与其他宽禁带半导体材料不同，Ga₂O₃可制备出直径达6英寸的衬底晶圆，其晶体材料可通过熔融法生长。增强型（常关型，即在零栅压下阻断电流）晶体管通常因其功耗更低且具有故障安全特性，而更受功率电子领域青睐。

器件设计（图1）主要针对E-mode操作、电荷平衡和导通电阻（Rₒₙ）进行优化。器件包含n型Ga₂O₃沟道、混合p-NiO/金属漏极、重掺杂p型NiO栅极以及p-NiO RESURF结构。

图1：(a) 采用p-NiO RESURF和混合漏极设计的Ga₂O₃ JFET示意图：三维结构图（上）与截面图（下）。(b) 为实现E-mode操作，计算的最大沟道厚度（tD）与施主掺杂浓度（ND）的关系曲线，界面电荷密度（Qit）范围为013/cm2至−1013/cm2。(c) 关键器件参数及数值表

NiO区域在栅极RESURF（R）和混合漏极（Dr）侧分离，以避免穿通。间隙两侧的p型掺杂浓度（NAR/NADr）可独立优化。RESURF结构设计与英飞凌商用GaN栅极注入晶体管（GITs）类似。

外延材料通过分子束外延（MBE）在半绝缘（010）Ga₂O₃衬底上生长，n型沟道位于非故意掺杂（UID）层上。制备了两个样品#A和#B，其n型沟道层厚度（td）分别为50nm和160nm。更厚的沟道有助于降低Rₒₙ。

器件制造始于硅注入与激活，随后沉积源/漏金属。通过氮离子注入实现电隔离。NiO材料采用溅射沉积，通过调节氧分压依次形成混合漏极、p++型栅极和RESURF区域的不同受主浓度。栅极掺杂浓度超过1019/cm³。 

#A和#B的阈值电压（VTH）分别达到1.9V和1.5V，实现了E-mode操作。栅极电位因栅漏电流限制在3.5-4V范围。对应的比导通电阻（Rₒₙ,sp）分别为703mΩ·cm²和92mΩ·cm²。

研究人员指出："尽管#A器件的td薄3.2倍，但其Rₒₙ高7倍，表明栅极沟道对Rₒₙ的显著贡献——#A器件栅下未耗尽Ga₂O₃导电沟道更窄。" 当器件温度升至250°C时，#A器件的VTH降至0.7V，Rₒₙ较25°C时增加1.6倍。团队写道："Rₒₙ的温度系数小于10kV SiC MOSFET的报道值，表明高温下传导损耗更低。”#B JFET的VTH在约100°C时变为负值，150°C时降至-3.3V。超过175°C后，栅极失去有效控制能力。

当栅极电位为0V时，两个样品的击穿电压（BV）均超过10kV。通过调节器件参数至近电荷平衡状态实现最大BV。最大BV对应的栅漏间距（LGD）为47μm。团队报告："BV时的平均横向电场为1.75-2.45MV/cm。"  #A器件在250°C高温下仍保持高BV，而#B材料在高温下性能下降，150°C时BV在-10V栅压下低于10kV。  

研究人员还进行了150°C高温栅偏压/反向偏压（HTGB/HTRB）可靠性测试。在HTGB测试中，#A和#B器件的阈值电压偏移和导通电阻偏移分别在0.32V和35%范围内，且完全可恢复。#B器件的HTRB研究显示存在漏致势垒降低（DIBL）效应，VTH偏移-3V（基本可恢复）。  

研究人员解释："#B器件的厚沟道导致势垒降低和高压VD下的穿通。这种DIBL可能因Qit及其高温加速去俘获而恶化。" #A器件的阈值偏移在0.2V内，导通电阻增加了34%，所有参数偏移均可完全恢复，但#A器件的缺点是由于沟道较窄导致导通电阻较高。

图2：比导通电阻（Rₒₙ,sp）与击穿电压（BV）的基准对比，针对击穿电压>2kV的超宽禁带（UWBG）功率晶体管。彩色虚线表示不同半导体材料（SiC/GaN/Ga₂O₃）的理论极限