近日，中國科大微電子學(xué)院兩篇論文入選第35屆功率半導(dǎo)體器件和集成電路國際會(huì)議（IEEE ISPSD，全稱：IEEE International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs）。IEEE ISPSD是功率半導(dǎo)體器件和集成電路領(lǐng)域在國際上重要的知名學(xué)術(shù)會(huì)議，ISPSD 2023于5月28日至6月1日在中國香港舉辦。會(huì)上，龍世兵教授受邀作了題為“Gallium Oxide Vertical Power Devices: Technology, Design and Applications”的大會(huì)Short course報(bào)告，向國際同行介紹了氧化鎵（β-Ga₂O₃）作為超寬禁帶半導(dǎo)體材料在肖特基勢壘二極管（SBD）、異質(zhì)PN結(jié)二極管（PND）、場效應(yīng)晶體管（FET）和功率IC等電力電子器件中的重要應(yīng)用，系統(tǒng)介紹了Ga₂O₃基功率器件的發(fā)展，包括β-Ga₂O₃單晶襯底和外延膜生長，SBD、PND和MOSFET功率器件的仿真、設(shè)計(jì)和研制，以及β-Ga₂O₃功率模塊的設(shè)計(jì)研制，現(xiàn)場反響熱烈。

圖1. 龍世兵教授做Short course報(bào)告

本次入選的兩篇oral論文工作如下：

1.高耐壓低損耗低漏電氧化鎵二極管

在當(dāng)前的β-Ga₂O₃肖特基勢壘二極管（SBD）功率器件研究方面，各界一直主要致力于緩解擊穿電壓（V_br）與比導(dǎo)通電阻（R_on,sp）之間的矛盾關(guān)系，其中與NiO/β-Ga₂O₃異質(zhì)結(jié)工程相關(guān)的新型結(jié)構(gòu)開始引起研究人員的關(guān)注，這一異質(zhì)結(jié)技術(shù)克服了缺乏p型摻雜的挑戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)了4.7 kV的高耐壓器件。然而，由于氧化鎵材料的寬帶隙，異質(zhì)結(jié)二極管（HJD）中存在超過2 V的大正向壓降（ISPSD 2022 105），這導(dǎo)致器件具有較大的傳導(dǎo)損耗；SBD雖然正向壓降低，但高反向電場導(dǎo)致了大的反向漏電流，盡管通過采用NiO/β-Ga₂O₃異質(zhì)結(jié)構(gòu)作為結(jié)終端擴(kuò)展（JTE）對此有所改善（IEDM 2022 9.5），但反向漏電流仍然很大。

在這項(xiàng)工作中，通過采用p型NiO制備了具有混合單極和雙極型的垂直β-Ga₂O₃異質(zhì)結(jié)勢壘肖特基二極管（HJBS），陽極邊緣采用NiO薄膜用作JTE抑制電極邊緣電場集聚效應(yīng)，該器件結(jié)合了SBD的低正向壓降和HJD的高阻斷電壓、低反向漏電的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)正向電壓超過HJD的導(dǎo)通電壓時(shí)，電流傳導(dǎo)模式從高導(dǎo)通電阻的單極性模式轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛯?dǎo)通電阻的雙極性模式，實(shí)驗(yàn)結(jié)果初步證明了β-Ga₂O₃HJBS中存在雙極行為。研究成果以“1 kV Verticalβ-Ga₂O₃Heterojunction Barrier Schottky Diode with Hybrid Unipolar and Bipolar Operation”為題發(fā)表在IEEE ISPSD 2023上，第一作者為我校微電子學(xué)院博士生郝偉兵，微電子學(xué)院徐光偉特任副研究員為論文通訊作者。

圖2. (a) β-Ga2O3 SBD、HJBS、HJD的器件結(jié)構(gòu)對比圖；半徑為55 μm的(b) HJBS、(c) SBD、(d) HJD器件的Ron,sp

2.垂直型GaN-on-GaN功率二極管浪涌特性研究

相較于傳統(tǒng)平面型GaN-on-Si器件，垂直型GaN-on-GaN器件能夠拓展其電壓和功率等級，并具有優(yōu)異的動(dòng)態(tài)性能。在功率變換器開關(guān)等過程中，功率二極管通常需要承受較大浪涌電流。對于Si和SiC雙極型器件，電導(dǎo)調(diào)制對提升浪涌能力具有積極作用。而不同于Si或SiC器件，GaN為直接帶隙半導(dǎo)體，電子和空穴可通過輻射復(fù)合發(fā)出光子，本征少子壽命較短。因此，在直接帶隙GaN器件中能否發(fā)生電導(dǎo)調(diào)制、以及其能否在浪涌過程中有效發(fā)揮作用仍未有充足的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。同時(shí)，垂直型GaN-on-GaN器件的浪涌電流能力隨著浪涌脈沖時(shí)間（t_surge）和峰值浪涌電流（I_peak）的演化及其潛在機(jī)制尚待研究。

在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微納研究與制造中心平臺上，課題組自研了具有2 kV耐壓能力、較低導(dǎo)通電阻的垂直型GaN-on-GaN PiN二極管。本工作系統(tǒng)研究了一系列t_surge（5 μs~10 ms）和I_peak（1~10 A）下垂直型GaN-on-GaN PiN二極管浪涌能力的動(dòng)態(tài)演化過程，發(fā)現(xiàn)垂直型GaN-on-GaN PiN二極管中光子增強(qiáng)或熱增強(qiáng)的電導(dǎo)調(diào)制可有效提升其導(dǎo)通能力，使得浪涌電流瞬態(tài)中的電流-電壓特性（I-V）呈現(xiàn)逆時(shí)針回滯。研究成果以“Surge Current Ruggedness in Vertical GaN-on-GaN PiN Diode: Role of Conductivity Modulation”為題發(fā)表在IEEE ISPSD 2023上，第一作者為我校微電子學(xué)院博士生杜佳宏，微電子學(xué)院楊樹教授為論文通訊作者。

圖3. (a)垂直GaN-on-GaN PiN二極管；(b)浪涌測試平臺；(c)浪涌測試結(jié)果

圖4. 參會(huì)人員合照：龍世兵教授（右三）、楊樹教授（右四）

兩項(xiàng)研究得到了國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)研究計(jì)劃、中國科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究計(jì)劃、科技委、廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研究發(fā)展計(jì)劃、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)青年創(chuàng)新重點(diǎn)項(xiàng)目、浙江省杰出青年科學(xué)基金和臺達(dá)電力電子重點(diǎn)項(xiàng)目的資助，同時(shí)得到了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微納研究與制造中心、信息科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心的支持。

ISPSD 2023會(huì)議官網(wǎng)：https://ispsd2023.com/

(來源：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué))