【国内论文】上海大学/中科院宁波所提出Si₃N₄终端结构，实现β-Ga₂O₃横向MOSFET击穿电压超过3 kV

        由上海大学、中国科学院宁波材料技术与工程研究所的研究团队在学术期刊 Electronics 发布了一篇名为 High Breakdown Voltage (>3 kV) in β-Ga₂O₃ Lateral MOSFETs Enabled by a Si₃N₄ Terminal Structure（基于 Si₃N₄ 终端结构实现击穿电压大于 3 kV 的 β-Ga₂O₃ 横向 MOSFET）的文章。

        超宽禁带半导体 β-Ga₂O₃ 凭借约 4.8 eV 的禁带宽度，理论临界击穿电场可达 8 MV/cm，性能显著优于 SiC、GaN 等传统宽禁带材料，是高压功率器件的理想候选材料。同时熔体法可制备大尺寸、高质量 β-Ga₂O₃ 单晶衬底，具备低成本规模化应用潜力。横向金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）适配平面工艺，漂移区可独立优化，在功率集成领域优势突出。但该类器件普遍存在栅极边缘电场集中问题，易引发提前雪崩击穿与介质失效，大幅限制器件耐压能力。

        目前业界已采用场板、表面降低电场结构、高介电常数钝化层等方案改善电场分布，但均存在弊端：场板会增大寄生电容、提升工艺难度；表面降低电场结构对掺杂精度要求严苛；常规钝化层难以在不恶化导通特性的前提下消除电场聚集。因此，开发一种工艺兼容、结构简单且可兼顾高击穿电压与优异导通性能的电场调控方案，成为 β-Ga₂O₃ 功率器件领域的研究重点。

        本文报道了一种引入简易 Si₃N₄ 终端结构进行电场调控的 β-Ga₂O₃ 横向 MOSFET。本研究核心证实，该工艺兼容性良好的终端设计能够提升器件击穿性能，同时保留原有导通特性。外延层具备优异的晶体质量、平整的表面形貌与良好的载流子输运性能。引入 Si₃N₄ 终端结构后，器件击穿电压突破 3 kV，平均击穿电场从 0.85 MV/cm 提升至 1.63 MV/cm，且导通特性未受影响。电场仿真结果进一步表明，Si₃N₄ 终端结构可有效缓解栅极边缘的电场聚集，这也是器件击穿性能提升的核心原因。研究证明，基于 Si₃N₄ 的终端设计是一种简单有效的方案，可在提升 β-Ga₂O₃ 横向 MOSFET 击穿性能的同时，维持器件优异的导通特性。

        ·提出结构简易、工艺兼容性强的 Si₃N₄ 终端结构，用于改善 β-Ga₂O₃ 横向 MOSFET 栅极电场聚集问题。

        ·器件击穿电压提升至 3 kV 以上，平均击穿电场实现翻倍，耐压性能大幅优化。

        ·Si₃N₄ 终端结构不会劣化器件导通能力，器件饱和漏电流密度、比导通电阻等关键参数保持优异水平。

        ·通过电场仿真直观验证了该结构的电场匀化机理，为 β-Ga₂O₃ 高压功率器件设计提供了新思路。

        本文研制出带有 Si₃N₄ 终端结构的 β-Ga₂O₃ 横向 MOSFET，器件击穿电压可达 3 kV 以上。引入 Si₃N₄ 终端结构后，器件导通性能未出现衰减，阈值电压为 −31.75 V，亚阈值摆幅为 701.42 mV/dec，饱和漏电流密度为 61.65 mA/mm，比导通电阻为 165.44 mΩ·cm²。当栅漏间距分别为 8 μm、18 μm、28 μm 时，器件击穿电压由 680 V、1300 V、2000 V 对应提升至 1300 V、2000 V 以及 3000 V 以上，平均击穿电场从 0.85 MV/cm 提升至 1.63 MV/cm。电场仿真证实，Si₃N₄ 终端结构能够有效缓解栅极边缘的电场聚集，是器件耐压提升的关键。综上，Si₃N₄ 终端设计是提升 β-Ga₂O₃ 横向 MOSFET 高压性能的简单有效手段。后续研究将围绕热学优化、动态可靠性评估以及实际电力电子系统验证展开。

        本研究得到国家自然科学基金（编号：62204244）、浙江省自然科学基金（编号：LQ23F040003）以及宁波市甬江人才引进计划（编号：2021A-046-C）的资助。

图 1 横向 β-Ga₂O₃ MOSFET 的截面结构示意图：(a) 无 Si₃N₄ 终端结构，(b) 带有 Si₃N₄ 终端结构；MOSFET 光学显微镜俯视图：(c) 无 Si₃N₄结构，(d) 带有 Si₃N₄ 结构。结构参数：L_GS/L_G = 4 μm / 8 μm，Si₃N₄ 层厚度 = 200 nm

图 2 β-Ga₂O₃ MOSFET 的制备流程：(a) 各工艺步骤对应的器件截面结构示意图；(b) 带有 Si₃N₄ 终端结构的 β-Ga₂O₃ MOSFET 制备流程

图 3 生长在 (010) 面 β-Ga₂O₃ 衬底上的掺硅 β-Ga₂O₃ 外延薄膜结构与形貌表征。(a) 掺硅 β-Ga₂O₃ 薄膜的 2θ:ω XRD 图谱，插图为摇摆曲线；(b) β-Ga₂O₃ 外延薄膜的原子力显微镜图像

图 4 β-Ga₂O₃ MOSFET 的电流-电压特性曲线。β-Ga₂O₃ MOSFET 转移特性曲线：(a) 无 Si₃N₄ 终端结构，(b) 带有 Si₃N₄ 终端结构；β-Ga₂O₃ MOSFET 输出特性曲线：(c) 无 Si₃N₄ 终端结构，(d) 带有 Si₃N₄ 终端结构

图 5 (a) 栅漏间距 L_GD 为 8 μm、18 μm、28 μm 时，无 Si₃N₄ 终端结构 MOSFET 的击穿特性曲线；(b) 栅漏间距 L_GD 为 8 μm、18 μm、28 μm 时，带有 Si₃N₄ 终端结构 MOSFET 的击穿特性曲线；(c) 无 Si₃N₄ 终端结构 MOSFET 的击穿电压 V_br、平均击穿电场强度 E_br 随栅漏间距 L_GD 的变化关系；(d) 带有 Si₃N₄ 终端结构 MOSFET 的击穿电压 V_br、平均击穿电场强度 E_br 随栅漏间距 L_GD 的变化关系

图 6 本研究 MOSFET 与近年已发表的横向 β-Ga₂O₃ 功率晶体管器件进行性能对比的比导通电阻 R_on,sp -击穿电压 V_br 关系图

图 7 采用 ERETCAD-Env 仿真软件，对栅漏间距 L_GD=28 μm、漏极偏压 1000 V 条件下的 MOSFET 开展电场分布仿真：(a) 无 Si₃N₄ 终端结构；(b) 带有 Si₃N₄ 终端结构；(c) 由图 (a) 提取的 A-A’、B-B’截线处电场分布；(d) 由图 (b) 提取的 A-A’、B-B’截线处电场分布

DOI：

doi.org/10.3390/electronics15112337