【国内论文】EDL丨深圳大学宽禁带半导体功率器件刘新科研究员团队：基于势垒调制电子输运的 p-Cu₂O体区2-kV垂直 β-Ga₂O₃ MOSFET

        由深圳大学刘新科教授团队在学术期刊IEEE Electron Device Letters发布了一篇名为2-kV Vertical β-Ga₂O₃ MOSFET With p-Cu₂O Body via Barrier Modulated Electron Transport（基于势垒调制电子输运的p-Cu₂O体区2-kV垂直β-Ga₂O₃ MOSFET）的文章。

        β-Ga₂O₃拥有约4.8 eV超宽禁带与8 MV/cm理论临界击穿电场，Baliga功率优值显著高于SiC和GaN，是下一代高压功率电子器件的重要候选材料。对于高压应用，垂直MOSFET可通过增加漂移层厚度提高击穿电压而无需显著增加芯片面积，是充分发挥β-Ga₂O₃高击穿场优势的重要器件结构。然而，β-Ga₂O₃长期缺乏稳定有效的p型掺杂，使传统功率MOSFET中的p-body结构难以直接实现。目前FinFET、电流阻挡层(CBL)等方案虽可实现常关型器件，但分别存在工艺复杂以及导通与阻断性能权衡等问题。NiO是常用p型氧化物，但其导带主要由局域化Ni 3d态构成，电子有效质量和散射较大。相比之下，Cu₂O的导带具有更强的Cu 4s轨道离域特征，同时与β-Ga₂O₃之间具有更小的导带带阶，有利于降低电子注入势垒并改善电子输运。因此，本工作采用p-Cu₂O作为异质p型体区，构建全氧化物n⁺-ZnO/p-Cu₂O/n-Ga₂O₃垂直沟槽MOSFET。

        团队制备了基于n⁺-ZnO/p-Cu₂O/n-Ga₂O₃异质结的垂直增强型沟槽MOSFET。器件采用200 nm n⁺-ZnO源层、300 nm p-Cu₂O体区和10 μm n⁻-Ga₂O₃漂移层，载流子浓度分别为1.41×10¹⁹、1.03×10¹⁷和8.01×10¹⁵ cm⁻³，并采用50 nm Al₂O₃作为栅介质。TEM与EDS表征显示各功能层界面平整、元素分布均匀；XRD与XPS进一步验证了ZnO、Cu₂O及β-Ga₂O₃的晶体质量和化学组成。p-Cu₂O/n⁺-ZnO异质结整流比超过10⁶，p-Cu₂O/n⁻-Ga₂O₃异质结I_on/I_off达到10⁸并保持较低反向漏电。所制备MOSFET在V_GS=0 V时保持关断，阈值电压V_th=7 V，双向扫描阈值漂移仅0.21 V，I_on/I_off约10⁶，比导通电阻R_on,sp=2.93 Ω·cm²。C-V结果仅表现出积累和耗尽状态，未观察到传统反型层；正栅压使完全耗尽的p-Cu₂O能带下移，降低n⁺-ZnO/p-Cu₂O电子注入势垒，漏极偏压进一步建立源漏连续输运。温度依赖转移特性及Arrhenius分析证明该过程由热电子发射主导，提取的有效势垒高度随V_GS升高持续降低。器件最终实现最高2000 V击穿电压。

        ①采用p-Cu₂O作为β-Ga₂O₃垂直MOSFET的异质p型体区，构建全氧化物n⁺-ZnO/p-Cu₂O/n-Ga₂O₃ n-p-n结构，为绕开β-Ga₂O₃同质p型掺杂瓶颈提供新的器件路径。

        ②提出并实验验证“栅控势垒调制电子输运”机制，器件无需依赖传统p-body中的少数载流子反型沟道，而是通过栅压调节异质结电子注入势垒实现开关控制。

        ③器件实现V_th=7 V、I_on/I_off≈10⁶、BV=2000 V和R_on,sp=2.93 Ω·cm²，兼具增强型工作与2 kV级高压阻断能力。

        本工作利用p-Cu₂O作为异质p型体区，成功实现基于全氧化物n⁺-ZnO/p-Cu₂O/n-Ga₂O₃异质结的垂直增强型沟槽MOSFET，突破了β-Ga₂O₃缺乏稳定p型掺杂对传统p-body结构的限制。器件导通不依赖反型层，而是通过栅极调控异质结势垒实现电子注入；温度依赖测试、Arrhenius拟合及有效势垒提取共同验证了该输运机制。器件获得7 V阈值电压、约10⁶开关比、2000 V最大击穿电压和2.93 Ω·cm²比导通电阻。该异质p-body结构与势垒调制机制为高性能垂直β-Ga₂O₃功率MOSFET提供了新的设计思路。

        本研究得到国家重点研发计划(2024YFE0205100)、广东省基础与应用基础研究重大项目(2023B0303000012)、深圳市科技计划(SGDX20240115101802004)、深圳大学科学仪器开发项目(2024YQ003)、射频异质集成国家重点实验室自主课题(2025007)资助。

图1 (a) 垂直β-Ga₂O₃沟槽MOSFET结构示意图；(b) 器件截面TEM观察区域；(c) 各功能层EDS元素面扫描结果。

图2 (a) β-Ga₂O₃、Cu₂O及ZnO薄膜的XRD ω摇摆曲线；(b) 三种氧化物XPS谱图；(c) p-Cu₂O/n⁺-ZnO异质结正向I-V特性；(d) p-Cu₂O/n⁻-Ga₂O₃异质结I-V特性。

图3 (a) MOSFET双向扫描I_D-V_GS转移特性；(b) I_D-V_GS输出特性(L_g=6 μm，W_g=100 μm)。

图4 (a) p-Cu₂O的C-V特性；(b) 异常输出特性的能带示意图；(c) 低载流子浓度n⁺-ZnO器件的异常输出曲线；(d) 对应的I_G-V_DS特性。

图5 (a) 栅控势垒调制电子输运机制示意图；(b) 温度依赖转移特性；(c) ln(JD/T²)-1/T Arrhenius拟合结果；(d) 有效势垒高度Φ_eff随V_GS变化关系。

        刘新科，国家青年人才（2025), 国家科技部重点研发计划首席科学家(2025), 英国物理学会会士(FInstP, 2025), 英国皇家化学会士(FRSC,2024)，博士研究生导师。获得新加坡国立大学材料科学荣誉本科(2008)、新加坡国立大学电气与计算机系微电子专业博士 (2013)、新加坡国立大学技术管理认证（2010）。担任深圳大学功率半导体器件及AI能源监测工程技术研究所所长，材料学院、射频异质异构集成全国重点实验室特聘教授。一直从事宽禁带半导体氮化镓材料与器件的研究工作，以第一作者/通讯作者在国际学术期刊Materials Today、Advanced Materials、IEEE EDL/TED等发表131篇SCI论文，出版《氮化镓单晶材料与器件》、《科技考古与文物鉴赏》书籍。主持国家科技部重点研发计划项目、国家自然科学基金(青年和面上)、广东省自然科学基金杰出青年项目等重要科研项目。作为第一完成人或个人， 2021年度广东省高校科技成果转化总决赛铜奖、2022年广东省科技进步二等奖、2022年中国电子学会科技进步二等奖、2022年广东省电子学会科技进步二等奖、2023年深圳市青年科技奖、2025年广东省青年科技奖。

DOI: 

10.1109/LED.2026.3707936