近日，中國科學技術大學微電子學院龍世兵教授課題組聯合中科院蘇州納米所加工平臺在氧化鎵功率電子器件領域取得重要進展，分別采用氧氣氛圍退火和N離子注入技術，首次研制出了氧化鎵垂直槽柵場效應晶體管。
功率半導體器件是電力電子系統中的核心元件，主要用于電力設備的電能變換和控制電路中的大功率，應用場景包括工業控制、可再生能源與新能源系統、電動汽車、軌道交通等。隨著新能源汽車等行業的發展及其不斷提高的對電力系統控制能力的要求，以及傳統的Si等半導體材料逐步接近物理極限，氧化鎵作為新一代功率半導體材料，其禁帶寬帶大、擊穿場強高，有望在未來功率器件領域發揮重要的作用。另外，氧化鎵半導體材料能夠采用熔體法生長，未來在成本上將比SiC和GaN等材料更具優勢。
氧化鎵材料應用難點
①難以實現氧化鎵的p型摻雜，這導致氧化鎵場效應晶體管面臨著增強型模式難以實現和功率品質因數難以提升等問題。
②氧化鎵垂直場效應晶體管適應于制備高壓大電流器件，相較于制備水平結構的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構中，FinFET雖然性能較為優異，但工藝難度大，難以實現大規模量產。
因此急需設計新結構氧化鎵垂直型晶體管，攻克增強型晶體管所需要的電流阻擋層技術（Currentblocking layer），并運用電流阻擋層制備出新設計的氧化鎵垂直柵槽晶體管。
氧化鎵垂直槽柵場效應晶體管技術邏輯
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型摻雜技術的氧化鎵垂直溝槽場效應晶體管結構。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，當施加正柵壓后，會在柵槽側壁形成電子積累的導電通道，實現對電流的調控。氧化鎵在氧氣氛圍退火能夠在表面形成補償型缺陷，從而形成高阻層。
氧氣氛圍退火工藝是氧化鎵較為獨特的一種技術手段，這種方式的靈感來源于硅工藝的成功秘訣之一——半導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、無擴散、成本低等特點。N離子注入MOSFET基于工業化高能離子注入設備，采用N離子注入摻雜工藝，當N注入濃度為5×1018cm-3時，制備的垂直槽柵MOSFET閾值電壓達到4.2V（@1A/cm2），飽和電流密度高達702.3A/cm2，導通電阻10.4mΩ·cm2。此外，通過調節N離子注入濃度，器件的擊穿電壓可達到534V，為目前電流阻擋層型氧化鎵MOSFET器件最高值，功率品質因數超過了硅單極器件的理論極限。兩項工作為氧化鎵晶體管找到了新的技術路線和結構方案。
圖1(a)氧化鎵垂直槽柵場效應晶體管結構示意圖；(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)與已報道的氧化鎵垂直場效應晶體管的性能比較。
該研究得到了國家自然科學基金、中國科學院戰略性先導研究計劃、中國科學院前沿科學重點研究計劃、廣東省重點領域研究發展計劃及中國科學院微電子研究所微電子器件與集成技術重點實驗室開放課題的資助，也得到了中國科學技術大學微納研究與制造中心、信息科學實驗中心、行星探索與前瞻性技術前沿科學中心，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所納米加工平臺、納米真空互聯實驗站（Nano-X），以及中科院納米器件與應用重點實驗室的支持。相關研究成果分別以“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”為題在線發表于Applied Physics Letters、IEEE Electron Device Letters期刊。文章的第一作者分別為中國科大博士生周選擇和馬永健，中國科大龍世兵教授、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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