【会员论文】电子科大孔谋夫教授、华润微电子张晓荣工程师团队提出新概念 β-Ga₂O₃ 器件：具有更高通态电流密度的横向 β-Ga₂O₃/p-NiO 异质结 IGBT

        由电子科技大学孔谋夫教授、华润微电子有限公司张晓荣工程师的研究团队在学术期刊 Semiconductor Science and Technology 发布了一篇名为 A New Concept β-Ga₂O₃ Device: Lateral β-Ga₂O₃/p-NiO Heterojunction IGBT with Improved On state Current Density（一种新概念 β-Ga₂O₃ 器件：具备更高通态电流密度的横向 β-Ga₂O₃/p-NiO 异质结 IGBT）的文章。这是目前国际上公开发表的首篇 Ga₂O₃ IGBT 器件的学术论文。电子科技大学为论文的第一单位及唯一通信单位。

        β-Ga₂O₃ 作为超宽禁带半导体，拥有约 4.8-4.9 eV 的禁带宽度与高达 8 MV/cm 的理论击穿场强，在高压功率电子器件领域极具应用前景。目前已报道多种 β-Ga₂O₃ MOSFET 器件，可实现数千伏击穿电压，但 MOSFET 属于单极器件，高压工况下会面临通态电阻偏高的问题。受限于难以实现可靠的 p 型掺杂，β-Ga₂O₃ 单极器件性能距离理论上限仍有较大差距。

        将 p 型氧化物 NiO 与 β-Ga₂O₃ 异质集成，能够向漂移区高效注入空穴，实现双极导电与电导调制效应，是突破单极器件性能限制的可行路径。现有研究主要集中在异质结二极管，针对 β-Ga₂O₃ IGBT 的器件设计与仿真验证仍然十分匮乏。

        本文提出一种横向 β-Ga₂O₃/p-NiO 异质结IGBT新结构，结合 p-NiO 阳极空穴注入、氮注入电流阻挡层、类超结漂移区三项设计，借助 TCAD 仿真开展器件机理与性能研究，为高性能 β-Ga₂O₃ 功率 IGBT 开发提供设计思路。

        本文首次提出了一种新概念氧化镓（β-Ga₂O₃）器件：横向 β-Ga₂O₃/p-NiO 异质结绝缘栅双极型晶体管（IGBT），并借助技术计算机辅助设计（TCAD）进行了仿真研究。阳极区域的 n-Ga₂O₃/p-NiO 异质结可以实现高效空穴注入与强电导调制效应，从而有效提升通态电流密度。在栅极下方引入氮注入（NI）工艺形成电流阻挡层，实现可靠的增强型（E-mode）工作。此外，在漂移区上方引入 p-NiO 层，该层与 n-Ga₂O₃ 区域以及上层 Al₂O₃ 层共同构成类超结漂移区，优化反向阻断条件下的电场分布，显著提升击穿电压（V_br）。仿真结果表明，当漂移区长度（L_drift）为 30 μm 时，该 IGBT 击穿电压可达 15.2 kV，具备优异的通态导通特性。栅极电压 15 V、通态电压 10 V 条件下，该 IGBT 的通态电流密度约为漂移区长度与掺杂浓度完全相同的 β-Ga₂O₃ MOSFET 器件的 3 倍。综上，本工作为高性能 β-Ga₂O₃ IGBT 器件的研发提供了可行的新技术路线与有价值的设计指导。

        ① 首次提出横向 β-Ga₂O₃/p-NiO 异质结 IGBT 新器件架构，集成 p-NiO 阳极空穴注入、栅下氮注入电流阻挡层、类超结漂移区多重设计，TCAD 仿真完成器件机理验证。

        ② p-NiO 阳极引入实现高效空穴注入与电导调制，30 μm 漂移区长度下，器件通态电流密度达到同等条件 MOSFET 的近 3 倍，大幅改善导通能力。

        ③ p-NiO/Al₂O₃/n-Ga₂O₃ 构成类超结漂移区，优化反向阻断电场分布，仿真得到 15.2 kV 的高击穿电压。

        ④ 系统研究 p-NiO 掺杂、长度、阳极 p+ 掺杂、空穴寿命、界面陷阱电荷、电热效应对器件静态、开关性能的影响，揭示器件物理限制因素。

        ⑤ 与已报道 β-Ga₂O₃ 功率器件开展性能对标，该横向 IGBT 实现了高达 6.07 GW/cm² 的功率优值，为横向氧化镓高压器件提供新方案。

        本文提出并研究了一种新型横向 β-Ga₂O₃/p-NiO 异质结 IGBT。p-NiO 异质结实现高效空穴注入以及电导调制，以此降低导通损耗；氮注入层形成电流阻挡层，保障器件可靠的增强型工作。p-NiO 层优化电荷平衡与电场分布，大幅提升击穿电压 V_br。该器件击穿电压可达 15.2 kV，功率优值 PFOM 达到 6.07 GW/cm²。本工作为高性能高压 β-Ga₂O₃ 功率器件的研发提供了可行实现途径与有价值的指导。

        本研究得到四川省中央引导地方科技发展专项（2024ZYD0310）部分经费支持。

图 1 (a) 所提出的 β-Ga₂O₃ 异质结  IGBT  的截面示意图；(b) 作为对比的 β-Ga₂O₃ MOSFET的截面示意图。

图 2 (a) 文献 [19] 中 β-Ga₂O₃ MOSFET 的 TCAD 仿真数据与实验数据对比；(b) 文献 [15] 中 β-Ga₂O₃/p-NiO 异质结二极管的 TCAD 仿真数据与实验数据对比。

图 3 在击穿电压下沿图 4 (a) 中同一截线，不同 (a) N_P、(b) L_NiO 条件下的电场分布；(c) V_br、N_P 与 L_NiO 三者之间的关系；(d) 所提出的 β-Ga₂O₃ IGBT 在不同 N_P+ 条件下的 V_ON。

图 4 (a) 所提出 IGBT 的电场分布；(b) 作为对比的 MOSFET 的电场分布；(c) 沿漂移区截线提取得到的一维电场轮廓；(d) 所提出 IGBT 截面的三维电场分布；(e) 作为对比的 MOSFET 截面的三维电场分布。

图 5 (a) 漂移区上带有和不带有 p-NiO 层的所提出 Ga₂O₃ IGBT 的输出特性；(b) 沿垂直截线的电子浓度分布；(c) 所提出 IGBT 的电流密度分布与电流通路；(d) 所提出 IGBT 沿横向截线的空穴浓度分布；(e) 所提出 IGBT 的三维电子浓度分布。

图 6 (a) 所提出 IGBT 以及作为对比的 MOSFET 的输出特性；(b) 不同 J_CE 条件下所提出 IGBT 的 V_ON；(c) 所提出 IGBT 的转移特性；(d) 所提出 IGBT 沿截线的空穴浓度分布。

图 7 (a) 双脉冲开关波形；(b) 关断过程局部放大图；(c) V_ON 与 E_off 之间的权衡关系。

图 8 (a) 不同 Q_it 条件下所提出  IGBT  的输出特性；(b) 不同 J_CE 条件下所提出 IGBT 的 V_ON；(c) 不同 Q_it 条件下所提出 IGBT 的转移特性；(d) 所提出 IGBT 在击穿电压下沿图 4 (a) 同一截线的 V_br 以及电场分布。

图 9 在 300 K 以及 450 K 等温与电热耦合条件下，所提出 IGBT 的输出特性。

图 10 本文所提出 IGBT 与近年报道的 β-Ga₂O₃ 功率器件的 V_br 对比 R_on,sp 性能对标图。

        孔谋夫，电子科技大学集成电路科学与工程学院教授、博士生导师、IEEE Senior Member。师从中国功率半导体器件领路人、超结器件发明人、中国科学院院士——陈星弼教授。当前主要研究方向为 SiC、GaN、Ga₂O₃ 功率半导体器件与功率集成电路，涵盖基础理论、新型器件结构及产业化等。主持国家自然基金青年基金 1 项、面上项目 2 项、省重点研发计划、企业横向及成果转化项目等多项，已在 Nature communications、Nature Sensors、Nano Letters、 IEEE T-ED、JOS 等国内外重要期刊及 IEEE ISPSD 等国际会议上发表 100 余篇学术论文及英文专著一章，授权发明专利 30 余项，其中 10 余项专利获成果转化，部分已实现产业化。曾 10 余次受邀担任多个重要国际学术会议的 TPC Member，受邀在重要国内/国际会议上做邀请报告近 20 次。曾获重要国际学术会议 ICICM 2023 最佳论文奖、ICICM 2024 最佳口头报告和 IEEE EDSSC 2025 优秀论文奖等。

DOI :

10.1088/1361-6641/ae9c6b