中國科大在氧化鎵半導體器件領(lǐng)域取得重要進展

IT之家 12 月 12 日消息，據(jù)中國科大發(fā)布，第 68 屆 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM, 國際電子器件大會) 近期在美國舊金山召開。IEEE IEDM 是年度微電子和納電子學術(shù)會議，是報告半導體和電子器件技術(shù)、設(shè)計、制造、物理和建模等領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)突破的世界頂級論壇，其與 ISSCC、VLSI 并稱為集成電路和半導體領(lǐng)域的“奧林匹克盛會”。中國科大國家示范性微電子學院龍世兵教授課題組兩篇關(guān)于氧化鎵器件的研究論文（高功率氧化鎵肖特基二極管和氧化鎵光電探測器）成功被大會接收，這也是中國科大首次以第一作者單位在 IEEE IEDM 上發(fā)表論文。

高功率氧化鎵肖特基二極管

如何開發(fā)出有效的邊緣終端結(jié)構(gòu)，緩解肖特基電極邊緣電場是目前氧化鎵肖特基二極管研究的熱點。由于氧化鎵 P 型摻雜目前尚未解決，PN 結(jié)相關(guān)的邊緣終端結(jié)構(gòu)一直是難點。該工作基于氧化鎵異質(zhì) PN 結(jié)的前期研究基礎(chǔ)（Weibing Hao, et.al.，in proc. ISPSD, 105，2022），將異質(zhì)結(jié)終端擴展結(jié)構(gòu)（Junction Termination Extension, JTE）成功應(yīng)用于氧化鎵肖特基二極管。該研究通過合理設(shè)計優(yōu)化 JTE 區(qū)域的電荷濃度，確保不影響二極管正向特性的同時最大化削弱肖特基邊緣電場，從而有效提高器件的耐壓能力。優(yōu)化后的器件實現(xiàn)了 2.9 mΩ?cm2 的低導通電阻和 2.1kV 的高擊穿電壓，其功率品質(zhì)因數(shù)高達 1.52 GW / cm2。此外，利用該優(yōu)化工藝成功制備并封裝了大面積的氧化鎵肖特基二極管，器件正向偏壓 2V 下電流密度達到 180A / cm2，反向擊穿電壓高達 1.3kV。研究成果以“High-Performance Vertical β-Ga2O3 Schottky Barrier Diodes Featuring P-NiO JTE with Adjustable Conductivity”為題發(fā)表在 IEDM 2022 上，且獲選為 Top Ranked Student Paper。論文第一作者為我校微電子學院博士生郝偉兵，微電子學院龍世兵教授和徐光偉特任副研究員為論文共同通訊作者。

圖 1 結(jié)終端擴展氧化鎵肖特基二極管。（a）器件結(jié)構(gòu)示意圖。（b）具有不同 JTE 區(qū)域電荷濃度的器件擊穿特性比較。（c）封裝器件反向恢復特性測試電路。（d）與已報道的氧化鎵肖特基二極管的性能比較。

氧化鎵光電探測器

光電探測器在目標跟蹤、環(huán)境監(jiān)測、光通信、深空探索等諸多領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。響應(yīng)度和響應(yīng)速度是光電探測器的兩個關(guān)鍵的性能參數(shù)，然而這兩個指標之間存在著制約關(guān)系，此消彼長。由于缺乏成熟的材料缺陷控制技術(shù)，該問題在以氧化鎵材料為代表的超寬禁帶半導體探測器中尤為突出。龍世兵教授團隊通過引入額外的輔助光源實現(xiàn)對向光柵（OPG）調(diào)控方案（圖 2a），來緩解上述制約關(guān)系。該 OPG 方案下的 Ga2O3 / WSe2 結(jié)型場效應(yīng)晶體管探測器在目標光（深紫外）照射下表現(xiàn)出負向光柵效應(yīng)（NPG），器件的閾值電壓往負向移動（圖 2b）；與之相反，輔助光源（可見光）照射使器件表現(xiàn)出正向光柵效應(yīng)（PPG），器件的閾值電壓往正向移動；在目標光及輔助光同時照射下，器件整合了正、負對向光柵效應(yīng)，但總體表現(xiàn)為閾值電壓朝負向移動。OPG 方案有效抑制器件內(nèi)嚴重的持續(xù)光電導效應(yīng)，器件的響應(yīng)速度明顯提升（圖 2c）。此外，如圖（2d）所示，OPG 調(diào)控方案中引入的輔助性可見光對器件的光 / 暗電流比和響應(yīng)度等關(guān)鍵指標幾乎不產(chǎn)生影響。最終，當 OPG 方案中的可見光常開，在僅犧牲 10.4 % 的響應(yīng)度的情況下即實現(xiàn)了 > 1200 倍響應(yīng)速度的提升，成功削弱了響應(yīng)度和響應(yīng)速度之間的制約關(guān)系。特別地，當通過反饋電路控制輔助光源僅在器件響應(yīng)的下降沿觸發(fā)，將在無響應(yīng)度犧牲的情況下實現(xiàn)響應(yīng)速度的數(shù)量級提升。該工作提出了一種光電探測器芯片內(nèi)千萬像素共享一顆輔助 LED 即可緩解響應(yīng)度與響應(yīng)速度之間的制約關(guān)系的策略，對光電探測芯片綜合性能的提升有重要的參考意義。研究成果以“Alleviating the Responsivity-Speed Dilemma of Photodetectors via Opposite Photogating Engineering with an Auxiliary Light Source beyond the Chip”為題發(fā)表在 IEDM 2022 上。我校微電子學院龍世兵教授和趙曉龍?zhí)厝胃毖芯繂T為論文的共同通訊作者，微電子學院博士生鄒燕妮為論文第一作者，碩士生曾妍和博士生譚鵬舉為論文的共同第一作者。

圖 2 對向光柵（OPG）光電探測器概念及基本特性。

IT之家獲悉，上述兩項研究得到了國家自然科學基金、中國科學院和科技委等的資助，也得到了中國科大微納研究與制造中心、中國科大信息科學實驗中心、富芯微電子公司等在器件制備、仿真模擬及封裝方面的支持。