【国内新闻】氧化镓功率器件和DUV光电器件合集（2）

04 NiO/β-Ga₂O₃异质结栅FET在负偏置应力下的不稳定性研究

        超宽禁带β-Ga₂O₃具有高的临界击穿场强和巴利加优值，满足电源系统对更大功率、更高功率密度、更高转换效率的需求，在电力电子领域引起了极大的关注。然而，由于缺乏有效的P型掺杂，使得氧化镓功率器件的击穿电压和功率优值远低于理论极限。为了克服这一挑战并获得PN结器件的优势，已经研究出多种P型氧化物与n型β-Ga₂O₃异质集成，其中P型NiO因其较大的禁带宽度、掺杂可控而被广泛研究。然而，突变的NiO/β-Ga₂O₃异质结可能产生多种复杂的陷阱效应，并可能导致在负偏置应力(NBS)下的阈值电压(VTH)、电流等电学参数的退化。目前关于NiO/β-Ga₂O₃异质结器件在应力下的退化机制研究不足，这不利于其进一步的高功率应用。

        近日，电子科技大学罗小蓉教授课题组联合中国科学技术大学微电子学院研究了NiO/β-Ga₂O₃异质结栅FET在不同栅极应力电压(V_G,s)和应力时间(t_s)下的不稳定机制，提出了器件在NBS下存在两种不同的退化机制。结果表明，应力施加会使得阈值电压漂移(∆V_TH)轻微的正向移动，在恢复时间(t_r) 1000 s后，V_TH几乎恢复到初始值，观察到V_G,s = -10 V比V_G,s = -5 V导致更大的∆V_TH。同时，应力导致的栅极关断电流退化随着t_r的增加而逐渐恢复。由此推断出在低的V_G,s和短的t_s下，NiO中的体陷阱捕获和释放电子分别导致了电流的减少和恢复。此外，研究还发现退化机制在高V_G,s下将发生变化，高的V_G,s会导致∆V_TH近乎永久性的负向移动，并没有观察到电学特性明显的恢复，这种现象在较低的V_G,s和长的t_s下也被观察到。这是因为异质结界面偶极子几乎永久性地被电离，产生的电子-空穴对分别与异质结处的空间电荷区的电离施主-受主结合，导致空间电荷区变窄。这项研究解释了NiO/β-Ga₂O₃异质结器件在NBS下的退化机制，并为NiO/β-Ga₂O₃异质结器件开发特色的可靠性加固技术提供理论指导。

        该文章以题为“Experimental investigation on the instability for NiO/β-Ga₂O₃ heterojunction-gate FET under negative bias stress”发表在Journal of Semiconductors上。

05 大面积多指β-Ga₂O₃ MOSFET及其自热效应

        β-Ga₂O₃是一种超宽禁带半导体材料，由于其4.8 eV的禁带宽度、8 MV/cm的高临界击穿场强以及3444的巴利加品质因数，被认为是下一代高功率应用的优选材料。然而，β-Ga₂O₃的一个材料特性的缺点是非常低的热导率（在300 K时为11-27 W/(m×K)），这使得器件在工作状态下导致严重的自热效应（SHE），影响器件的可靠性和稳定性。针对β-Ga₂O₃ 场效应晶体管器件严重的自热效应，已经提出了一些解决方法，例如离子切割技术、转移到外来衬底和结构设计。新颖的测量方法也被用来表征β-Ga₂O₃ MOSFETs的瞬态温度分布。然而，大多数关于β-Ga₂O₃ MOSFETs的报告都集中在追求高的功率因数并探索新颖的结构，但实际应用需要大面积结构来满足电路应用需求。对于大面积结构，由于表面积-体积比较小，自热效应将比小尺寸器件更加严重，更加值得研究。

        近日，中国科学技术大学龙世兵教授团队报道了输出电流达到0.5 A的多指结构的大面积β-Ga₂O₃ MOSFET。文章研究了其直流特性，并采用红外热成像技术来研究自热效应对多指β-Ga₂O₃ MOSFET的影响。通过提取瞬态温度分布的变化（图1）以及不同漏压下的热平衡温度（图2），得到了大面积多指β-Ga₂O₃ MOSFET产热与散热的规律。在8 V漏压下β-Ga₂O₃ MOSFET沟道中的最高温度达到了250 ℃，表明器件严重的自热效应。本研究工作首次对大面积β-Ga₂O₃场效应晶体管的自热效应进行了研究，对将来氧化镓的热管理方案的实施具有借鉴意义。

        该文章以题为“A large-area multi-finger β-Ga₂O₃ MOSFET and its self-heating effect”发表在Journal of Semiconductors上。

图1.  红外热成像相机拍摄的漏极偏置电压设置为2 V，偏置时间分别为(a) 0 秒，(b) 10 秒，(c) 20 秒和 (d) 50 秒的温度分布图像。(e) β-Ga₂O₃沟道中最高温度随不同漏极电压的时间依赖特性曲线。

06 大面积氧化镓肖特基势垒二极管及DC-DC转换器

        功率器件及电路是电能转换系统的重要组成部分，同时，基于超宽禁带半导体的功率器件和电路更有潜力降低转换过程中的功率损耗。β-Ga₂O₃由于其约4.8 eV的宽带隙，8 MV/cm的高临界电场和3444的高Baliga品质因数，被认为在电力电子应用中具有很大的潜力。这些特性使得β-Ga₂O₃功率器件在高电压、高功率和其他领域具有广阔的应用前景。近十年来，β-Ga₂O₃器件特别是肖特基势垒二极管（SBD）发展迅速，其性能有了显著的提高，已接近SiC和GaN的性能。目前，大面积器件的工作主要集中在与边缘终端的结合上，而对于大电流应用的基线器件或称之为无终端SBD的研究较少。我们最近的工作表明，通过界面工程可以大大提高小面积SBD的性能，因此这是大面积器件的机会。无终端的高性能SBD可能更好地反映了Ga₂O₃ SBD的应用潜力。综上所述，Ga₂O₃ SBD在应用上更为成熟，其应用潜力也有待被进一步证明。

        近日，中国科学技术大学龙世兵教授/徐光伟副研究员课题组通过干湿法相结合的表面处理工艺，实现了无终端结构的高性能大面积β-Ga₂O₃ SBD，并实现了在DC-DC中的高效转换。他们在该工作中通过干法刻蚀去除外延层上表面的不可靠层，再通过湿法腐蚀修复刻蚀形成的损伤，之后再完成欧姆电极和肖特基电极的生长。制备完成的β-Ga₂O₃ SBD肖特基接触面积为1×1 mm²，具有8 A@5 V的良好的正向特性、0.46 Ω的低导通电阻和612 V的高击穿电压，器件性能处于先进水平。将该β-Ga₂O₃ SBD进行了TO-220的分立封装并用于搭建DC-DC转换器，在200 V的输入电压下，电路的转换效率达到了95.81%，取得了良好的电路性能。

        无终端结构的β-Ga₂O₃ SBD器件及其电路可观的性能展现了其在电力电子领域具有极大的应用潜力，对β-Ga₂O₃ SBD器件及应用的发展具有重要的参考价值。

        该文章以题为“Large-area β-Ga₂O₃ Schottky barrier diode and its application in DC-DC converter”发表在Journal of Semiconductors上。

图1. β-Ga₂O₃ SBD的（a）横截面示意图、（b）正向导通特性和（c）反向击穿特性；（d）所制备的β-Ga₂O₃ SBD器件和已报道的大电流氧化镓肖特基二极管的性能对比。