由西安電子科技大學(xué)郝躍院士、張進(jìn)成教授團隊在學(xué)術(shù)期刊 Science China Information Sciences 發(fā)布了一篇名為 Breakdown voltage over 10 kV β-Ga₂O₃ heterojunction FETs with RESURF structure（具有 RESURF 結構 10 kV 耐壓的 β-Ga₂O₃ 異質(zhì)結場(chǎng)效應晶體管）的文章。

1. 項目支持

本研究得到國家自然科學(xué)基金（Grant No. 62222407）、廣東省自然科學(xué)基金（Grant No. 2023B1515040024）和國家重點(diǎn)研發(fā)計劃（Grant No. 2021YFA0716400）的資助。

2. 背景

β-Ga₂O₃ 作為一種超寬禁帶（~4.9 eV）半導體，因其極高的理論擊穿場(chǎng)強（達 8 MV/cm）和優(yōu)異的功率性能（BFOM 高達 3000），在高壓電子器件領(lǐng)域備受關(guān)注。然而當前 β-Ga₂O₃ 功率晶體管的擊穿電壓（BV）受限，現有終端設計多為一維（1D）結構，導致關(guān)斷態(tài)（off-state）電場(chǎng)分布不均，而且缺乏有效的二維（2D）電場(chǎng)調控手段。

該研究團隊提出，采用 RESURF（Reduced Surface Field），并引入 P-NiO_X/N-β-Ga₂O₃ 異質(zhì)結結構（HJ-FET），可突破當前設計限制，提升耐壓能力。

3. 主要內容

該研究首次實(shí)現了在 β-Ga₂O₃ HJ-FET 中引入二維 RESURF 技術(shù)，具體策略包括構建 P-NiO_X/N-β-Ga₂O₃ 異質(zhì)結。通過(guò)調控 P-NiO_X 層厚度（t_NiO），實(shí)現電場(chǎng)均勻分布。優(yōu)化設計下，器件耐壓超過(guò) 10 kV，PFOM > 63 MW/cm²。驗證在 t_NiO= 110 nm 時(shí)，P-NiO_X 與 β-Ga₂O₃ 同時(shí)耗盡，形成最理想的電場(chǎng)平坦區。提供理論推導與模擬支持，建立電荷密度與耗盡層厚度之間的解析關(guān)系。

4. 總結

研究團隊在 β-Ga₂O₃ 晶體管中展示了 RESURF 技術(shù)，該技術(shù)有利于實(shí)現 E 平面度和 BV 容差。精心設計的電荷密度可確保 P-NiO_X 和 N-β-Ga₂O₃ 兩側同時(shí)完全耗盡。t_NiO = 110 nm 的 RESURF P-NiO_X/N-β-Ga₂O₃ HJ-FET 的 BV 超過(guò) 10 kV，PFOM 達到 63 MW/cm²。這些結果表明，β-Ga₂O₃ 在大功率和高電壓領(lǐng)域具有相當大的功率潛力。

5. 圖文示例

圖 1. (a) 具有代表性的 P-NiO_X/N-β-Ga₂O₃ HJ-FET 的橫截面示意圖。(b) 具有代表性的 P-NiO_X/N-β-Ga₂O₃ HJ-FET 的截面 SEM 圖像。(c) t_NiO 為 50、150 和 110 nm 的 RESURF β-Ga₂O₃ HJ-FET 在 VDS 為 3000 V 時(shí)，β-Ga₂O₃ 溝道中模擬載流子濃度和模擬三端離態(tài)電場(chǎng)分布的橫截面示意圖。(d) t_NiO = 110 nm 的 RESURF P-NiO_X/N-β-Ga₂O₃ HJ-FET 的輸出和 (e) 對數尺度傳輸特性。(f) L_GD = 74 µm 時(shí)器件的三端擊穿特性。(g) 近期先進(jìn)的 β-Ga₂O₃ 晶體管功率性能基準。

DOI：

doi.org/10.1007/s11432-024-4332-4

本文轉發(fā)自《亞洲氧化鎵聯(lián)盟》訂閱號