中国科大研制出氧化镓垂直槽栅场效应晶体管

近日，中国科学技术大学微电子学院龙世兵教授课题组联合中科院苏州纳米所加工平台在氧化镓功率电子器件领域取得重要进展，分别采用氧气氛围退火和N离子注入技术，首次研制出了氧化镓垂直槽栅场效应晶体管。相关研究成果分别以“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”为题在线发表于Applied Physics Letters、IEEE Electron Device Letters期刊。文章的第一作者分别为我校博士生周选择和马永健，我校龙世兵教授、徐光伟特任副研究员和苏州纳米所张晓东副研究员为共同通讯作者。

功率半导体器件是电力电子系统中的核心元件，主要用于电力设备的电能变换和控制电路中的大功率，应用场景包括工业控制、可再生能源与新能源系统、电动汽车、轨道交通等。随着新能源汽车等行业的发展及其不断提高的对电力系统控制能力的要求，以及传统的Si等半导体材料逐步接近物理极限，氧化镓作为新一代功率半导体材料，其禁带宽带大、击穿场强高，有望在未来功率器件领域发挥重要的作用。另外，氧化镓半导体材料能够采用熔体法生长，未来在成本上将比SiC和GaN等材料更具优势。目前，氧化镓材料面临一个重要的难点：难以实现氧化镓的p型掺杂，这导致氧化镓场效应晶体管面临着增强型模式难以实现和功率品质因数难以提升等问题。氧化镓垂直场效应晶体管适应于制备高压大电流器件，相较于制备水平结构的MBE样品，其材料具有较低成本。氧化镓垂直晶体管的若干种结构中，FinFET虽然性能较为优异，但工艺难度大，难以实现大规模量产。因此急需设计新结构氧化镓垂直型晶体管，攻克增强型晶体管所需要的电流阻挡层技术（Currentblocking layer），并运用电流阻挡层制备出新设计的氧化镓垂直栅槽晶体管。

在本次报道的工作中，分别采用了氧气氛围退火和氮（N）离子注入工艺制备了器件的电流阻挡层，并配合栅槽刻蚀工艺研制出了不需P型掺杂技术的氧化镓垂直沟槽场效应晶体管结构。氧气氛围退火和N离子注入所形成的电流阻挡层均能够有效隔绝晶体管源、漏极之间的电流路径，当施加正栅压后，会在栅槽侧壁形成电子积累的导电通道，实现对电流的调控。氧化镓在氧气氛围退火能够在表面形成补偿型缺陷，从而形成高阻层。氧气氛围退火工艺是氧化镓较为独特的一种技术手段，这种方式的灵感来源于硅工艺的成功秘诀之一——半导体硅的氧气氛围退火。类似于硅在氧气氛围退火可形成高阻表面层，氧化镓采用该手段制备电流阻挡层（相比于离子注入）具有缺陷少、无扩散、成本低等特点。N离子注入MOSFET基于工业化高能离子注入设备，采用N离子注入掺杂工艺，当N注入浓度为5×10¹⁸cm^-3时，制备的垂直槽栅MOSFET阈值电压达到4.2V（@1A/cm²），饱和电流密度高达702.3A/cm²，导通电阻10.4mΩ·cm²。此外，通过调节N离子注入浓度，器件的击穿电压可达到534V，为目前电流阻挡层型氧化镓MOSFET器件最高值，功率品质因数超过了硅单极器件的理论极限。两项工作为氧化镓晶体管找到了新的技术路线和结构方案。

图1(a)氧化镓垂直槽栅场效应晶体管结构示意图；(b)器件工作原理示意图；(c)N离子注入晶体管的输出曲线；(d)与已报道的氧化镓垂直场效应晶体管的性能比较。

该研究得到了国家自然科学基金、中国科学院战略性先导研究计划、中国科学院前沿科学重点研究计划、广东省重点领域研究发展计划及中国科学院微电子研究所微电子器件与集成技术重点实验室开放课题的资助，也得到了中国科学技术大学微纳研究与制造中心、信息科学实验中心、行星探索与前瞻性技术前沿科学中心，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所纳米加工平台、纳米真空互联实验站（Nano-X），以及中科院纳米器件与应用重点实验室的支持。

APL论文链接：https://doi.org/10.1063/5.0130292

IEEE EDL论文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/10013743