【会员论文】西电郝跃院士、马晓华教授、李园副教授等人团队：基于沟槽侧壁界面质量优化策略的β-Ga₂O₃ MOS型沟槽二极管电热特性增强机理研究

        据中国经济时报报道，在 2023 年中国光谷九峰山论坛暨化合物半导体产业大会上，中国科学院院士郝跃教授指出，虽然氧化物半导体距离大规模产业化应用仍有一定距离，但其广阔的应用前景已清晰可见。与氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）相比，氧化物半导体的禁带宽度更宽，理论上能够实现更低的导通损耗。然而，散热问题仍是制约其产业化的核心瓶颈。

        器件级的热电特性细节与可靠物理依据，是构建（超）宽禁带半导体功率器件自洽电热耦合模型、开展稳态与瞬态热电特性数值仿真、以及进行电热协同优化设计的重要前提。西安电子科技大学的李园副教授长期聚焦这一关键科学问题，针对阻碍 β-Ga₂O₃ 功率器件走向成熟的核心挑战——器件过热问题，系统突破了多项基础表征与建模关键技术：基于 TDTR（Time-Domain Thermo-reflectance）光学表征的 β-Ga₂O₃ 器件未知热物性参数精确测试技术、基于 TTI（Transient Thermal Imaging）热反射成像的 β-Ga₂O₃ 器件复杂瞬态工况热电特性表征技术、联合材料-器件-封装测试分析的 β-Ga₂O₃ 器件热电耦合正向物理建模技术。在此基础上，她开展了 β-Ga₂O₃ MOS 型沟槽二极管、MOSFET 等器件的电热协同设计与热控系统技术的系列研究，建立了高精度（超）宽禁带半导体功率器件电热耦合建模与协同优化设计的研究框架。

        其代表性研究成果包括：

        An Electro-Thermal Co-Designed Ga₂O₃ [100] Trench Power Diode Featuring Ferroelectric Dielectric

        Electro-Thermal Co-Design β-Ga₂O₃ MOS-Type Trench Diode Based on Optimized Trench-Sidewall Interface Quality Strategy and Mechanism Study

        Implications for FD-OSIQ-Based Electrothermal Co-Design: Degradation of Reverse Performance in β-Ga₂O₃ Ferroelectric Trench Diodes Under Forward-Voltage Stress

        Electro-Thermal Improvement in a β-Ga₂O₃ Cage-Integrated Slanted-Fin MOSFET

        The Diamond-Plate Double-Side-Cooled β-Ga₂O₃ SBD Prototype with an Ultra-Low RθJC of 0.24 K/W

        该系列工作突破了传统单一物理场设计的局限，深度整合电学与热学的耦合机制，系统揭示了 β-Ga₂O₃ 器件在稳态与瞬态工况下电场-热场及其相互作用的物理机理，为器件结构优化、电热协同设计以及提升工作鲁棒性提供了重要理论支撑。该研究框架对推动（超）宽禁带半导体功率器件的工程化应用与产业化进程，具有重要的理论价值和指导意义。

        以下是本系列第二篇工作的相关报道。

        由西安电子科技大学郝跃院士、马晓华教授、李园副教授等人的研究团队在学术期刊 IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics 发布了一篇名为 Electro-Thermal Co-Design β-Ga₂O₃ MOS-Type Trench Diode Based on Optimized Trench-Sidewall Interface Quality Strategy and Mechanism Study（基于沟槽侧壁界面质量优化策略的 β-Ga₂O₃ MOS 型沟槽二极管电热特性增强机理研究）的文章。

        β-Ga₂O₃ 作为下一代功率电子器件的领先候选材料，拥有 4.6-4.9 eV 的超宽禁带和高达 8 MV/cm 的临界击穿电场，显著优于 GaN（~3.4 MV/cm）和 SiC（~3.3 MV/cm）。市场上已可获得具有成本优势的高质量 β-Ga₂O₃ 熔体生长衬底，这为其大规模产业化应用奠定了基础。

        对于 β-Ga₂O₃ 二极管而言，平面结构中表面电场的一维分布导致漏电流管理受限，难以接近其材料的巴尔加优值（BFOM）理论极限。MOS 型沟槽结构因无需 p 型掺杂（β-Ga₂O₃ 本征 p 型掺杂极其困难）而成为研究热点，已成功实现了击穿电压超过 2 kV、漏电流低于 1 μA/cm² 的优异性能。然而，β-Ga₂O₃ 的低热导率（比 GaN 或 SiC 低 10-20 倍）带来的自热效应严重影响器件的可靠性和稳定性。

        β-Ga₂O₃ 具有显著的热导率各向异性：[100] 方向沟槽侧壁的热导率（k_T[010] = 27 W/mK @ 300 K）是 [010] 方向（k_T[100] = 10.9 W/mK @ 300 K）的 2.5 倍。但由于 ICP 干法刻蚀引入的侧壁取向依赖损伤随沟槽角度增大而加剧，目前已发表的 β-Ga₂O₃ MOS 型沟槽二极管全部采用低热导率的 [010] 方向沟槽，无法利用 [100] 方向的高热导率优势进行电热协同设计。如何解决沟槽侧壁刻蚀损伤问题，实现高热导率 [100] 方向沟槽器件的高性能，成为 β-Ga₂O₃ 功率器件领域亟待突破的关键瓶颈。

        目前，已发表的 β-Ga₂O₃ MOS 型沟槽二极管全部采用低热导率（k_T[010]）的 [010] 沟槽侧壁，而很少采用高热导率（k_T[010]）的 [100] 沟槽侧壁。这是因为随着沟槽角度（以 [010] 沟槽为 0° 进行旋转）的增加，侧壁取向依赖的刻蚀损伤逐渐增大。本工作首次将基于 PZT 铁电材料的优化侧壁界面质量策略（OSIQ）应用于 β-Ga₂O₃ 沟槽二极管（PSTD），以改善所有沟槽角度器件的沟槽侧壁界面质量，验证了 OSIQ 及其相关的电热优化效果。深入研究了 PSTD 在不同预电压应力和预电压应力时间下电流密度的增长趋势，在相同芯片尺寸下，经过应力后 [100] 器件比 [010] 器件表现出更显著的电流密度提升优势。进一步揭示了所提出 OSIQ 策略的作用机制。本工作有助于全面提升 β-Ga₂O₃ 沟槽器件的电热性能。

        首创铁电材料优化沟槽界面策略：首次提出并验证了基于 PZT 铁电材料的优化侧壁界面质量（OSIQ）策略，成功解决了 β-Ga₂O₃ 沟槽器件中侧壁取向依赖的刻蚀损伤问题，打破了只能使用 [010] 方向沟槽的技术局限。

        实现高热导率 [100] 方向沟槽器件：通过 OSIQ 策略，首次实现了具有高热导率（27 W/mK）的 [100] 方向沟槽 β-Ga₂O₃ 二极管，在相同芯片尺寸下，[100] PSTD 的电流密度比 [010] PSTD 提升 13.01%，而传统 HfO₂ 介质的 [100] 器件比 [010] 器件电流密度降低 16.34%。

        系统揭示铁电极化调控界面态机制：通过 MFM 结构铁电特性表征、电导法界面态密度测试以及能带结构分析，系统揭示了 PZT 铁电介质在电压应力下产生内建非线性极化电场，有效降低沟槽侧壁界面态密度，减少载流子陷阱俘获，从而降低肖特基势垒并提升正向电流的物理机制。

        定量研究电压和时间依赖的 OSIQ 效应：定量研究了不同预电压应力（14-20 V）和应力时间（2 ms-1 min）对器件性能的影响，发现电压应力是 OSIQ 效应的主导因素，在 20 V 预电压下 [100] PSTD 电流密度可达基准器件的 128.55%，实现了显著的电热协同优化。

        首次制备了 OSIQ PSTD 以改善所有沟槽角度器件的沟槽侧壁界面质量，验证了所提出 OSIQ 策略的有效性及其相关的电热性能增强效果。深入研究了 PSTD 在不同预电压应力和预电压应力时间下电流密度的增长趋势，在相同芯片尺寸下，经过应力后 [100] 器件比 [010] 器件表现出更显著的电流密度提升优势。进一步揭示了所提出 OSIQ 策略的作用机制。这种利用铁电材料缓解沟槽刻蚀损伤的策略可以进一步有效提升 β-Ga₂O₃ 沟槽 SBD 的电热协同设计能力。

        本工作得到国家自然科学基金（批准号：62204187）和西安电子科技大学创新基金（批准号：XJS221114）的部分支持。