中國(guó)科大在氧化鎵半導(dǎo)體器件領(lǐng)域取得新突破

作者 | 發(fā)布日期 2022 年 12 月 13 日 17:17 | 分類(lèi) 碳化硅SiC

近日,中國(guó)科大國(guó)家示范性微電子學(xué)院龍世兵教授課題組兩篇關(guān)于氧化鎵器件的研究論文(高功率氧化鎵肖特基二極管和氧化鎵光電探測(cè)器)成功被IEDM大會(huì)接收,這也是中國(guó)科大首次以第一作者單位在IEEE IEDM上發(fā)表論文。

高功率氧化鎵肖特基二極管

如何開(kāi)發(fā)出有效的邊緣終端結(jié)構(gòu),緩解肖特基電極邊緣電場(chǎng)是目前氧化鎵肖特基二極管研究的熱點(diǎn)。由于氧化鎵P型摻雜目前尚未解決,PN結(jié)相關(guān)的邊緣終端結(jié)構(gòu)一直是難點(diǎn)。

該工作基于氧化鎵異質(zhì)PN結(jié)的前期研究基礎(chǔ)(Weibing Hao, et.al.,in proc. ISPSD, 105,2022),將異質(zhì)結(jié)終端擴(kuò)展結(jié)構(gòu)(Junction Termination Extension, JTE)成功應(yīng)用于氧化鎵肖特基二極管。該研究通過(guò)合理設(shè)計(jì)優(yōu)化JTE區(qū)域的電荷濃度,確保不影響二極管正向特性的同時(shí)最大化削弱肖特基邊緣電場(chǎng),從而有效提高器件的耐壓能力。優(yōu)化后的器件實(shí)現(xiàn)了2.9 mΩ·cm2的低導(dǎo)通電阻和2.1kV的高擊穿電壓,其功率品質(zhì)因數(shù)高達(dá)1.52 GW/cm2。

此外,利用該優(yōu)化工藝成功制備并封裝了大面積的氧化鎵肖特基二極管,器件正向偏壓2V下電流密度達(dá)到180A/cm2,反向擊穿電壓高達(dá)1.3kV。研究成果以“High-Performance Vertical β-Ga2O3 Schottky Barrier Diodes Featuring P-NiO JTE with Adjustable Conductivity”為題發(fā)表在IEDM 2022上,且獲選為T(mén)op Ranked Student Paper。

論文第一作者為我校微電子學(xué)院博士生郝偉兵,微電子學(xué)院龍世兵教授和徐光偉特任副研究員為論文共同通訊作者。

圖1結(jié)終端擴(kuò)展氧化鎵肖特基二極管。(a)器件結(jié)構(gòu)示意圖。(b)具有不同JTE區(qū)域電荷濃度的器件擊穿特性比較。(c)封裝器件反向恢復(fù)特性測(cè)試電路。(d)與已報(bào)道的氧化鎵肖特基二極管的性能比較(Source:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué))

氧化鎵光電探測(cè)器

光電探測(cè)器在目標(biāo)跟蹤、環(huán)境監(jiān)測(cè)、光通信、深空探索等諸多領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。響應(yīng)度和響應(yīng)速度是光電探測(cè)器的兩個(gè)關(guān)鍵的性能參數(shù),然而這兩個(gè)指標(biāo)之間存在著制約關(guān)系,此消彼長(zhǎng)。

由于缺乏成熟的材料缺陷控制技術(shù),該問(wèn)題在以氧化鎵材料為代表的超寬禁帶半導(dǎo)體探測(cè)器中尤為突出。龍世兵教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)引入額外的輔助光源實(shí)現(xiàn)對(duì)向光柵(OPG)調(diào)控方案(圖2a),來(lái)緩解上述制約關(guān)系。

該OPG方案下的Ga2O3/WSe2結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管探測(cè)器在目標(biāo)光(深紫外)照射下表現(xiàn)出負(fù)向光柵效應(yīng)(NPG),器件的閾值電壓往負(fù)向移動(dòng)(圖2b);與之相反,輔助光源(可見(jiàn)光)照射使器件表現(xiàn)出正向光柵效應(yīng)(PPG),器件的閾值電壓往正向移動(dòng);在目標(biāo)光及輔助光同時(shí)照射下,器件整合了正、負(fù)對(duì)向光柵效應(yīng),但總體表現(xiàn)為閾值電壓朝負(fù)向移動(dòng)。OPG方案有效抑制器件內(nèi)嚴(yán)重的持續(xù)光電導(dǎo)效應(yīng),器件的響應(yīng)速度明顯提升(圖2c)。

此外,如圖(2d)所示,OPG調(diào)控方案中引入的輔助性可見(jiàn)光對(duì)器件的光/暗電流比和響應(yīng)度等關(guān)鍵指標(biāo)幾乎不產(chǎn)生影響。最終,當(dāng)OPG方案中的可見(jiàn)光常開(kāi),在僅犧牲10.4 %的響應(yīng)度的情況下即實(shí)現(xiàn)了>1200倍響應(yīng)速度的提升,成功削弱了響應(yīng)度和響應(yīng)速度之間的制約關(guān)系。

特別地,當(dāng)通過(guò)反饋電路控制輔助光源僅在器件響應(yīng)的下降沿觸發(fā),將在無(wú)響應(yīng)度犧牲的情況下實(shí)現(xiàn)響應(yīng)速度的數(shù)量級(jí)提升。該工作提出了一種光電探測(cè)器芯片內(nèi)千萬(wàn)像素共享一顆輔助LED即可緩解響應(yīng)度與響應(yīng)速度之間的制約關(guān)系的策略,對(duì)光電探測(cè)芯片綜合性能的提升有重要的參考意義。

研究成果以“Alleviating the Responsivity-Speed Dilemma of Photodetectors via Opposite Photogating Engineering with an Auxiliary Light Source beyond the Chip”為題發(fā)表在IEDM 2022上。

我校微電子學(xué)院龍世兵教授和趙曉龍?zhí)厝胃毖芯繂T為論文的共同通訊作者,微電子學(xué)院博士生鄒燕妮為論文第一作者,碩士生曾妍和博士生譚鵬舉為論文的共同第一作者。

圖2對(duì)向光柵(OPG)光電探測(cè)器概念及基本特性(Source:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué))

上述兩項(xiàng)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院和科技委等的資助,也得到了中國(guó)科大微納研究與制造中心、中國(guó)科大信息科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心、富芯微電子公司等在器件制備、仿真模擬及封裝方面的支持。(文:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué))

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