中国科大在氧化镓半导体器件领域取得重要进展

宣布时间：2022-12-16 16:49来源：中国科学技术大学

近日，第68届IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM,国际电子器件大会)在美国旧金山召开。IEEE IEDM是一个年度微电子和纳电子学术集会，是报告半导体和电子器件技术、设计、制造、物理和建模等领域的要害技术突破的世界顶级论坛，其与ISSCC、VLSI并称为集成电路和半导体领域的“奥林匹克盛会”。中国科大国家示范性微电子学院龙世兵教授课题组两篇关于氧化镓器件的研究论文（高功率氧化镓肖特基二极管和氧化镓光电探测器）乐成被大会接收，这也是中国科大首次以第一作者单位在IEEE IEDM上宣布论文。

1.高功率氧化镓肖特基二极管

如何开发出有效的边沿终端结构，缓解肖特基电极边沿电场是目前氧化镓肖特基二极管研究的热点。由于氧化镓P型掺杂目前尚未解决，PN结相关的边沿终端结构一直是难点。该事情基于氧化镓异质PN结的前期研究基础（Weibing Hao, et.al.，in proc. ISPSD, 105，2022），将异质结终端扩展结构（Junction Termination Extension, JTE）乐成应用于氧化镓肖特基二极管。该研究通过合理设计优化JTE区域的电荷浓度，确保不影响二极管正向特性的同时最大化削弱肖特基边沿电场，从而有效提高器件的耐压能力。优化后的器件实现了2.9 mΩ·cm2的低导通电阻和2.1kV的高击穿电压，其功率品质因数高达1.52 GW/cm2。别的，利用该优化工艺乐成制备并封装了大面积的氧化镓肖特基二极管，器件正向偏压2V下电流密度抵达180A/cm2，反向击穿电压高达1.3kV。研究结果以“High-Performance Vertical β-Ga2O3 Schottky Barrier Diodes Featuring P-NiO JTE with Adjustable Conductivity”为题宣布在IEDM 2022上，且获选为Top Ranked Student Paper。论文第一作者为我校微电子学院博士生郝伟兵，微电子学院龙世兵教授和徐光伟特任副研究员为论文配合通讯作者。

图1结终端扩展氧化镓肖特基二极管。（a）器件结构示意图。（b）具有差别JTE区域电荷浓度的器件击穿特性比较。（c）封装器件反向恢复特性测试电路。（d）与已报道的氧化镓肖特基二极管的性能比较。

2.氧化镓光电探测器

光电探测器在目标跟踪、情况监测、光通信、深空探索等诸多领域发挥着越来越重要的作用。响应度和响应速度是光电探测器的两个要害的性能参数，然而这两个指标之间保存着制约关系，此消彼长。由于缺乏成熟的质料缺陷控制技术，该问题在以氧化镓质料为代表的超宽禁带半导体探测器中尤为突出。龙世兵教授团队通过引入特另外辅助光源实现对向光栅（OPG）调控计划（图2a），来缓解上述制约关系。该OPG计划下的Ga2O3/WSe2结型场效应晶体管探测器在目标光（深紫外）照射下体现出负向光栅效应（NPG），器件的阈值电压往负向移动（图2b）；与之相反，辅助光源（可见光）照射使器件体现出正向光栅效应（PPG），器件的阈值电压往正向移动；在目标光及辅助光同时照射下，器件整合了正、负对向光栅效应，但总体体现为阈值电压朝负向移动。OPG计划有效抑制器件内严重的连续光电导效应，器件的响应速度明显提升（图2c）。别的，如图（2d）所示，OPG调控计划中引入的辅助性可见光对器件的光/暗电流比和响应度等要害指标险些不爆发影响。最终，当OPG计划中的可见光�？�，在仅牺牲10.4 %的响应度的情况下即实现了>1200倍响应速度的提升，乐成削弱了响应度和响应速度之间的制约关系。特别地，当通过反响电路控制辅助光源仅在器件响应的下降沿触发，将在无响应度牺牲的情况下实现响应速度的数量级提升。该事情提出了一种光电探测器芯片内千万像素共享一颗辅助LED即可缓解响应度与响应速度之间的制约关系的战略，对光电探测芯片综合性能的提升有重要的参考意义。研究结果以“Alleviating the Responsivity-Speed Dilemma of Photodetectors via Opposite Photogating Engineering with an Auxiliary Light Source beyond the Chip”为题宣布在IEDM 2022上。我校微电子学院龙世兵教授和赵晓龙特任副研究员为论文的配合通讯作者，微电子学院博士生邹燕妮为论文第一作者，硕士生曾妍和博士生谭鹏举为论文的配合第一作者。

图2对向光栅（OPG）光电探测器看法及基本特性。

上述两项研究获得了国家自然科学基金、中国科学院和科技委等的资助，也获得了中国科大微纳研究与制造中心、中国科大信息科学实验中心、富芯微电子公司等在器件制备、仿真模拟及封装方面的支持。

上一篇第三代半导体工业重要基础质料，已经在海内实现量产

下一篇复旦大学研究团队相助发明晶圆级硅基二维互补叠层晶体管

分享到：

yh533388银河

中国科大在氧化镓半导体器件领域取得重要进展