【国际论文】丰田&电装联合成立企业布局超宽禁带半导体研究，MIRISE Technologies 联合京都工艺纤维大学探索 β-Ga₂O₃ 功率器件工艺优化方案

        MIRISE Technologies（日本）是由汽车产业巨头丰田汽车与全球知名汽车零部件企业电装联合成立的下一代车载半导体研发机构。作为连接汽车产业需求与芯片技术突破的重要研发平台，公司聚焦下一代功率电子、传感器及车载 SoC 技术探索，持续推动高效率、高可靠性半导体技术在电动化与智能化移动领域的应用演进。在探索下一代半导体技术路径的过程中，MIRISE Technologies 持续关注宽禁带及超宽禁带半导体材料与器件的发展。近期，该公司联合高校研究团队在氧化镓材料掺杂调控领域取得新进展，相关研究成果发表如下。

        由日本 MIRISE 科技公司、京都工艺纤维大学的研究团队在学术期刊 Applied Physics Express 发布了一篇名为 Suppression and control of implanted Mg diffusion in β-Ga₂O₃ by O co-implantation（通过共掺氧抑制和控制 β-Ga₂O₃ 中掺入镁的扩散）的文章。

        β-Ga₂O₃ 凭借 4.6 eV 超宽禁带与超高击穿电场，是车载电力电子、高压功率开关核心候选半导体，垂直肖特基二极管、MOSFET 是其主流器件结构，边缘终端工艺直接决定器件耐压水平。现有离子注入型边缘终端方案存在明显短板：镁作为常用 p 型掺杂元素，高温激活退火过程中易发生无规则纵深扩散，破坏漂移层载流子分布，大幅削弱器件击穿性能；GaN 体系 Mg/O 共注入抑制扩散思路无法直接移植至氧化镓体系，且不同镁氧配比下镁扩散行为、表面形貌演变规律缺少系统性定量研究。当前公开文献仅单独报道单一注入工艺，缺少可同时兼顾低表面粗糙度、可控镁扩散深度、高耐压的共注入边缘终端成套方案，未阐明氧空位与镁间隙原子协同扩散机理，难以支撑高压 β-Ga₂O₃ 功率器件工业化制备，是氧化镓掺杂终端领域关键研究空白。

        该团队开发并表征了一种可实现镁可控注入 β-Ga₂O₃ 的工艺技术。镁氧共注入可减少氧空位，抑制镁非可控扩散；采用镁氧共注入工艺能够调控并有效降低镁扩散深度。表征结果证明，高温激活退火后，镁氧配比决定注入镁元素的扩散深度；所有样品中，镁氧浓度比 1:10 的共注入样品对镁扩散的抑制效果最优。制备带有镁氧共注入边缘终端的 Ga₂O₃ 肖特基二极管，器件耐压特性显著提升，证明镁氧共注入工艺适用于功率器件边缘终端制备。

        ①提出镁氧共注入工艺，抑制高温退火后氧空位介导的镁扩散效应。

        ②定量揭示镁扩散深度随共注入氧浓度升高单调降低的变化规律。

        ③验证镁氧配比 1:10 为最优工艺，可最大程度抑制镁扩散同时维持极低表面粗糙度（R_a<0.15 nm）。

        ④采用选区镁氧共注入边缘终端，制备高耐压 β-Ga₂O₃ 肖特基二极管。

        综上，本研究通过镁氧共注入工艺成功抑制镁元素扩散。镁氧配比 1:10 可在不破坏基底表面形貌的前提下，最大程度抑制 Ga₂O₃ 内部镁扩散；带有镁氧共注入边缘终端的 Ga₂O₃ 肖特基二极管耐压性能明显提升。因此，氧共注入工艺可支撑镁注入型功率器件边缘终端制备。

图 1 采用 ScatGUI 仿真得到镁氧浓度分布曲线；镁峰值浓度固定为 1×10¹⁸ cm⁻³，氧浓度分别为 0、1.25×10¹⁸、5×10¹⁸、1×10¹⁹ cm⁻³，对应镁氧配比 1:0、1:1.25、1:5、1:10。

图 2 原子力显微镜（AFM）测试得到各组镁氧共注入样品表面形貌图。

图 3 二次离子质谱（SIMS）实测镁、锡元素深度分布曲线。

图 4 各组样品镁扩散深度统计曲线；扩散深度定义为镁浓度降至 1.0×10¹⁶ cm⁻³ 对应的纵向深度。

图 5 (a) 制备圆形肖特基二极管（SBD）结构示意图，A：无注入器件，B：全域注入器件，C：选区边缘终端注入器件；(b) 三类器件正向电流-电压特性曲线；(c) 三类器件反向电流-电压特性曲线。