【会员论文】EDL丨西电郝跃院士、张进成教授、周弘教授联合华润微电子团队：类三明治RESURF技术实现6A/1.6kV、1.4GW/cm²结型β-Ga₂O₃场效应晶体管

        由西安电子科技大学郝跃院士、张进成教授、周弘教授联合华润微电子方浩首席专家、张晓荣主管等人的研究团队，在学术期刊 IEEE Electron Device Letters 发表了一篇题为 6 A/1.6 kV or 1.4 GW/cm² β‑Ga₂O₃ MOS‑JFETs with Sandwiched‑like RESURF Structure（类三明治降低表面电场技术实现 6 A/1.6 kV 和 1.4 GW/cm² 结型 β-Ga₂O₃ 场效应晶体管）的研究论文。该研究通过应用类三明治结构的 NiO/Ga₂O₃ 降低表面电场技术，在氧化镓外延片上构建了异质结型氧化镓晶体管，并通过沟道缩放实现了绝对输出电流大于 6 A，击穿电压大于 1.6 kV 的大栅宽氧化镓晶体管和功率优值达到 1.4 GW/cm² 的小栅宽氧化镓晶体管。

        β相氧化镓是超宽禁带半导体，其禁带宽度为 4.8 eV，理论临界击穿电场可达 8 MV/cm，作为电力电子领域极具前景的材料得到广泛研究与开发。得益于可实现可控 n 型掺杂，并且大直径单晶衬底具备低成本获取的优势，氧化镓器件由小尺寸向大周长器件快速发展，展现出强劲的市场竞争力。10  kV 级二极管与晶体管、功率优值超过 10 GW/cm² 的二极管、功率优值达 1 GW/cm² 的结型场效应晶体管，以及 f_T×V_DS 达到 1 THz·V、最大振荡频率 fmax 为 90 GHz 的射频晶体管，均验证了氧化镓材料的应用潜力。借助 p 型材料来挖掘氧化镓器件性能潜力方面，已有文献报道面积 9 mm² 的氧化镓二极管，正向电流可达 120 A，击穿电压为 1.78 kV。就在近期，首个大周长 94 mm 的氧化镓 DC‑DC 变换器完成实验验证，其转换效率超过 90%。除此之外，已有报道实现 4 A/300 V 的氧化镓 MOSFET 开关，可实现千瓦级开关应用。

        本文采用类夹层降表面电场技术，研制了高性能大、小栅宽横向 β 氧化镓金属‑氧化物‑半导体结型场效应晶体管。该 RESURF 结构在栅区设置优化的 p‑NiO 层实现沟道耗尽，并利用低介电常数SiO₂承受更高电场；同时，SiO₂ 上方的另一层 p‑NiO 用于缓解电场集中现象。因此，在栅漏间距 L_GD 为 8 μm 时，小栅宽与大栅宽器件分别实现 3.24 kV 和 1.63 kV 的高击穿电压，对应的平均电场分别为 4 MV/cm 与 2 MV/cm。栅极与氧化镓沟道之间引入 p‑NiO 层，器件在保持良好栅控关断能力的前提下，可采用更高的沟道掺杂浓度，从而获得更高的输出漏极电流以及更低的比导通电阻。沟道宽度 50 mm 的大栅宽 MOS‑JFET 实现最高 6 A 的漏极电流；沟道宽度 20 μm 的小周长器件实现低至 7.5 mΩ·cm² 的比导通电阻。经计算，小栅宽、大栅宽 MOS‑JFET 的 Baliga 功率优值分别为 1.4 GW/cm² 与 0.26 GW/cm²，属于各类氧化镓场效应晶体管中小、大栅宽器件的最优功率优值之一，证明具备类夹层 RESURF 结构的 β-Ga₂O₃ MOS‑JFET 在大功率开关应用方面拥有巨大潜力。

        ①提出类夹层 RESURF 新型电荷平衡结构：提出双层 p‑NiO 夹持低介电常数 SiO₂ 的类夹层 RESURF 结构。下层 p‑NiO 实现沟道耗尽，中间 SiO₂ 承受高电场，上层 p‑NiO 平滑电场集中，有效缓解击穿电压与比导通电阻之间的性能折中。

        ②首次将 RESURF 技术应用于大周长 β‑Ga₂O₃ MOS‑JFET 器件：首次将 RESURF 结构拓展到大周长氧化镓晶体管，研制出沟道宽度 50 mm 的大尺寸器件，实现 6 A 大输出电流与 1.63 kV 千伏级耐压，实现大电流、高耐压兼顾。

        ③在保证栅控关断能力前提下提升沟道掺杂，获得优异电学性能：栅极与 Ga₂O₃ 沟道之间引入 p‑NiO 层，允许采用更高沟道掺杂浓度，同时维持良好栅控关断能力。小周长器件实现 3.24 kV 击穿电压、7.5 mΩ·cm² 低比导通电阻，功率优值达到 1.4 GW/cm²，处于氧化镓 FET 的顶尖水平。

        ④结合仿真与对照实验验证该结构的电场优化效果：通过 TCAD 仿真揭示夹层 RESURF 对电场峰值的抑制作用；与本团队无 RESURF 的对照器件对比，相近栅漏长度下击穿电压由 1.32 kV 提升至 3.24 kV，量化验证该结构的耐压提升效果，同时验证了可调控 p‑NiO 材料体系的可行性。

        综上，本文通过实验验证了将类夹层 RESURF 结构应用于横向 β‑Ga₂O₃ 大、小栅宽 MOS‑JFET 器件，该结构在两层 p‑NiO 之间插入低介电常数的 SiO₂ 介质。大栅宽 RESURF MOS‑JFET 实现了 6 A 漏极电流、1.63 kV 击穿电压以及 0.26 GW/cm² 的功率优值；小周长器件实现 135 mA/mm 的漏极电流、3.24 kV 击穿电压，取得了 β-Ga₂O₃ MOSFET 中的创纪录功率优值1.4 GW/cm²。上述结果表明，具备电荷平衡特性的类夹层 RESURF 架构 MOS‑JFET，是推动氧化镓器件实际应用极具前景的技术方案。

        研究得到国家自然科学基金（项目编号：62421005）、广东省基础与应用基础研究基金（项目编号：2023B1515040024）的资助；同时得到教育部基础与交叉学科突破计划（项目编号：JYB2025XDXM105）支持。