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【国际时事】Semiconductor-Today解读美国研究团队关于《平衡电荷使 Ga₂O₃ 击穿电压超过 10kV》的研究
日期：2023-09-15阅读：236
近日，位于美国的研究团队发表了一篇文章，关于横向氧化镓（Ga2O3）肖特基势垒二极管（SBDs）与电荷平衡氧化镍（NiO）还原表面场（RESURF）结构的结合，将击穿电压（BV）提高到 10kV 以上[Yuan Qin et al, IEEE Electron Device Letters, v44, p1268, 2023]。击穿电压的热稳定性能在 200 °C 时仍能保持在 10kV 以上。
来自弗吉尼亚理工大学、南加利福尼亚大学、美国海军研究实验室和日本NCT的研究团队称："我们的 RESURF Ga2O3 SBD 显示出最高的 BV，其工作温度是多千伏 Ga2O3 器件中最高的"。
该团队认为，此种SBD的设计在中、高电压和高温应用中有潜在的应用前景。超过1kV的中电压范围覆盖了电网、电机驱动和可再生能源处理的处理。目前，市场主要由硅双极技术主导，但其开关速度较慢。
此种SBD（图 1）是在拥有 n 型Ga2O3外延层的Ga2O3衬底上制作的。阳极区的掺杂采用硅离子注入法，并在氮气中经过 925 °C 退火激活。阴极是在 475 ℃ 退火的钛/金（Ti/Au），阳极是镍/金（Ni/Au）。在阴极和阳极之间，使用氮离子注入法隔离了器件区域。
图 1：(a) 制造的横向Ga2O3 RESURF SBD的截面示意图.(b)扫描电子显微镜 (SEM) 俯视图. (c) Ga2O3外延层的Nd-Na深度分布图 (肖特基接触的初始耗尽宽度约为85nm).(d) 25°C和200°C下的垂直NiO/ Ga2O3二极管的电容-电压 (C–V) 和 1/C2–V 特性。
研究目标是通过溅射的NiO RESURF结构在高电压下平衡n-Ga2O3通道中的耗尽电荷。高前向偏置下的耗尽缩小了电流流动的有效横截面积，增加了导通电阻(Ron)。已经发现通过在溅射过程中的氧部分压强控制NiO的p型空穴浓度。研究人员：为减少tNiO变化对电荷平衡的影响并实现更大的工艺范围，更低的Na是首选。
该团队使用纯氩气氛，以尽可能降低空穴浓度，而从NiO源在室温下进行的溅射。p-NiO在氮气中经过275°C退火。通过对p-NiO/n-Ga2O3垂直p-n异质结二极管的电容-电压测量，研究者估计，NiO溅射过程在25°C下的受体浓度(Na)为8x1017/cm3。
NiO器件RESURF层的厚度(tNiO)被设计为使电荷失衡边际低于15%。在p-NiO RESURF层和阴极之间还有一个间隙(Lpc)，以避免穿通和漏电导通。NiO材料也扩展到阳极表面，距离为5μm。阳极随后用第二个Ni/Au应用覆盖。然后在275°C下对器件进行退火，以稳定受体浓度并减少NiO/Ga2O3界面态。以光抗剂进行钝化完成SBD处理。
通过75nm的NiO RESURF层，该团队的SBD与阳极-阴极距离(LAC)为30μm和50μm，超过了10kV的击穿电压，达到了测试设备的测量极限。因此，阳极和阴极之间的漂移区域的平均电场(Eave)超过了3.3MV/cm。对于30 μm LAC SBD，没有NiO RESURF结构的参考设备只达到了2.8kV的BV。10kV反向偏压的漏电流为2x10-6A/mm，比之前报道过的氮化镓(GaN) SBD低十倍。17μm的LAC设备的BV超过8kV，对应Eave为4.7MV/cm。在200°C下，BV降至6.1kV，即 3.6MV/cm c。
研究人员表明：“BV的负温度系数(ηT)表明缺乏雪崩击穿，这意味陷阱辅助的击穿机制。”并且还指出，所实现的Eave范围超过了GaN和碳化硅(SiC)的临界电场。据报道，GaN横向SBD的Eave约为1MV/cm，BV为10kV。RESURF结构对(differential) Ron产生了负面影响，相对于没有RESURF的Ga2O3 SBD，约增加了2倍。平衡击穿电流和正向电流影响的巴利加优值（FOM，BV2）/Ron），与不带SBD的器件相比，RESURF器件的巴利加优值提高了5倍以上。所有器件的电参数，如导通电压(Von)、肖特基势垒高度和理想系数，大约分别为1V、0.74eV和1.2。
将工作温度提高到200°C几乎使Ron增加了一倍，而Von减少到0.7V。即使在200°C，开/关比率也超过了106。
图 2：团队的器件（"本次研究"）与竞争对手的基准对比：(a) 之前报道的Ga2O3 SBD、p–n二极管和BV超过3kV的晶体管的差分特定导通电阻(Ron,sp)与BV的对比。(b) 报告的高温Ga2O3 SBD、p–n二极管和BV超过100V的晶体管的BV与最大操作温度的对比。虚线显示了之前数据的大致边界。箭头显示了理想的目标。需注意更高BV设备的10kV BV反映的是测量限制，而不是实际的BV。
研究团队展示了 BV 和 Ron、sp/最高运行温度的基准（图 2）。并评论 "Baliga 17 μm-LAC 器件在 25 °C 下 FOM 为 906MW/cm2。在 25 °C 下，200 °C 工作的 10kV 级器件（LAC = 30 μm）的 FOM 至少为 370MW/cm2（由于 BV > 10kV，预计真正的 FOM 要高）"。
