【会员论文】SCIS丨刷新CBL型垂直器件性能纪录，中山大学王钢教授团队联合苏州纳米所、香港科技大学等实现1.4 kV β-Ga₂O₃ VDMOSFET

        由中山大学王钢教授、卢星教授、裴艳丽教授、陈梓敏副教授联合中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张晓东研究员、香港科技大学黄文海教授、澳门大学等的研究团队在学术期刊 Science China Information Sciences 发布了一篇名为 1.4 kV β-Ga₂O₃ VDMOSFET with high-temperature nitrogen-implanted current blocking layer（具有高温氮离子注入电流阻挡层的 1.4 kV β-Ga₂O₃ 垂直双扩散 MOSFET）的文章。

        β相氧化镓（β-Ga₂O₃）作为超宽禁带半导体，带隙约 4.8 eV、临界击穿场强约 8 MV/cm，巴利加优值系数高达 3444，是下一代大功率电子器件极具前景的材料。同时熔体法可制备低成本、大面积、高质量单晶衬底，便于规模化器件制造。

        垂直金属氧化物场效应晶体管（MOSFET）架构适配高压场景，击穿电压可随漂移层厚度提升且不增加芯片面积，功率密度与体积效率更优。增强型器件具备天然故障安全特性、栅驱动电路设计简单，是功率开关优选结构。但 β-Ga₂O₃ 无法实现 p 型掺杂，成为垂直增强型 MOSFET 研发核心阻碍。鳍沟型 β-Ga₂O₃ MOSFET 依靠多面沟道提升栅控能力，但深干法刻蚀会破坏材料表面、劣化栅介质界面，降低器件性能与可靠性。已有研究证实，氮离子注入可形成深能级受主，构筑准 p 型电流阻挡层（CBL），替代传统 p 掺杂实现垂直器件，现已报道 CAVET、VDBFET、UMOS 等多种 CBL 基垂直氧化镓器件。

        现有 CBL 器件普遍存在漏电流大、提前击穿问题，阻挡层结构与工艺仍有优化空间。与之对比，SiC 体系垂直双注入 MOS（VDMOS）采用平面栅缓解电场聚集，规避沟槽结构可靠性缺陷，且反型沟道不存在 CAVET 器件阈值与输出电流制衡矛盾。

        SiC、GaN 等宽禁带材料高温离子注入相比室温注入优势显著：高温可原位动态退火，抑制注入晶格损伤、提升杂质激活率，保留晶体完整度。团队前期研究证实，β-Ga₂O₃ 高温氮注入可修复晶格、提升受主激活，大幅优化 CBL 性能。基于上述基础，本文制备集成高温氮注入 CBL 的 β-Ga₂O₃ VDMOSFET，在全部 CBL 基 β-Ga₂O₃ 器件中创下击穿电压与功率优值两项纪录。

        ①首次将高温氮注入工艺引入 β-Ga₂O₃ VDMOS 器件，依托原位动态退火修复注入晶格损伤，大幅提升氮受主激活效率，优化电流阻挡层阻断能力；

        ②采用平面栅 VDMOS 结构，规避沟槽刻蚀带来的界面劣化、电场集中、可靠性衰减问题，消除阈值电压与导通电流的性能制衡；

        ③单胞器件实现 1422 V 无边缘终端击穿电压，漂移层平均击穿场强 1.42 MV/cm，功率优值达 32.4 MW/cm²，刷新同类型 CBL 基垂直 β-Ga₂O₃ 器件纪录；

        ④完成 100 单元大面积阵列器件制备，阵列耐压可达 1240 V，是现有大面积 β-Ga₂O₃ 垂直器件最高击穿水平；

        ⑤器件为增强型，阈值 5.6 V、开关比 4 × 10⁴、比导通电阻 62.5 mΩ·cm²，兼顾高耐压与导通输出能力。

        本文成功制备集成高温氮注入电流阻挡层的 β-Ga₂O₃ 垂直双注入 MOSFET。相较于传统室温注入后退火工艺，高温同步注入方案可显著提升电流阻挡层的阻断性能。该器件击穿电压、功率优值均达到已报道全部 CBL 基垂直 β-Ga₂O₃ 器件最高水平，证明高温氮注入是制备高性能 β-Ga₂O₃ 垂直功率器件的有效工艺方案。

        本研究部分受国家重点研发计划（2024YFE0205300）、国家自然科学基金（62471504）、广东省基础与应用基础研究基金（2025A1515011208）资助。

图 1 (a) β-Ga₂O₃ VDMOSFET 器件截面结构示意图；(b) 制备完成器件光学显微图；(c) 转移特性曲线；(d) 输出特性曲线；(e) 关态击穿特性曲线；(f) 本器件与已报道 CBL 基垂直 β-Ga₂O₃ 器件比导通电阻、击穿电压性能对比；(g) 大面积阵列器件输出特性；(h) 大面积阵列器件关态击穿特性（插图为阵列光学图）

DOI：

doi.org/10.1007/s11432-025-4717-9