中国科大在功率电子器件领域取得重要进展

宣布时间：2023-06-13 21:56来源：中国科学技术大学

近日，中国科大微电子学院两篇论文入选第35届功率半导体器件和集成电路国际集会（IEEE ISPSD，全称：IEEE International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs）。IEEE ISPSD是功率半导体器件和集成电路领域在国际上重要的知名学术集会，ISPSD 2023于5月28日至6月1日在中国香港举办�；嵘�，龙世兵教授受邀作了题为“Gallium Oxide Vertical Power Devices: Technology, Design and Applications”的大会Short course报告，向国际同行介绍了氧化镓（β-Ga₂O₃）作为超宽禁带半导体质料在肖特基势垒二极管（SBD）、异质PN结二极管（PND）、场效应晶体管（FET）和功率IC等电力电子器件中的重要应用，系统介绍了Ga₂O₃基功率器件的生长，包括β-Ga₂O₃单晶衬底和外延膜生长，SBD、PND和MOSFET功率器件的仿真、设计和研制，以及β-Ga₂O₃功率�？榈纳杓蒲兄�，现场回声热烈。

图1. 龙世兵教授做Short course报告

本次入选的两篇oral论文事情如下：

1.高耐压低损耗低漏电氧化镓二极管

在目今的β-Ga₂O₃肖特基势垒二极管（SBD）功率器件研究方面，各界一直主要致力于缓解击穿电压（V_br）与比导通电阻（R_on,sp）之间的矛盾关系，其中与NiO/β-Ga₂O₃异质结工程相关的新型结构开始引起研究人员的关注，这一异质结技术克服了缺乏p型掺杂的挑战，实现了4.7 kV的高耐压器件。然而，由于氧化镓质料的宽带隙，异质结二极管（HJD）中保存凌驾2 V的大正向压降（ISPSD 2022 105），这导致器件具有较大的传导损耗；SBD虽然正向压降低，但高反向电场导致了大的反向漏电流，尽管通过接纳NiO/β-Ga₂O₃异质结构作为结终端扩展（JTE）对此有所改善（IEDM 2022 9.5），但反向漏电流仍然很大。

在这项事情中，通过接纳p型NiO制备了具有混淆单极和双极型的笔直β-Ga₂O₃异质结势垒肖特基二极管（HJBS），阳极边沿接纳NiO薄膜用作JTE抑制电极边沿电场集聚效应，该器件结合了SBD的低正向压降和HJD的高阻断电压、低反向漏电的优点。当正向电压凌驾HJD的导通电压时，电流传导模式从高导通电阻的单极性模式转变为低导通电阻的双极性模式，实验结果开端证明了β-Ga₂O₃HJBS中保存双极行为。研究结果以“1 kV Verticalβ-Ga₂O₃Heterojunction Barrier Schottky Diode with Hybrid Unipolar and Bipolar Operation”为题宣布在IEEE ISPSD 2023上，第一作者为我校微电子学院博士生郝伟兵，微电子学院徐光伟特任副研究员为论文通讯作者。

图2. (a) β-Ga2O3 SBD、HJBS、HJD的器件结构比照图；半径为55 μm的(b) HJBS、(c) SBD、(d) HJD器件的Ron,sp

2.笔直型GaN-on-GaN功率二极管浪涌特性研究

相较于古板平面型GaN-on-Si器件，笔直型GaN-on-GaN器件能够拓展其电压和功率品级，并具有优异的动态性能。在功率变换器开关等历程中，功率二极管通常需要蒙受较大浪涌电流。关于Si和SiC双极型器件，电导调制对提升浪涌能力具有积极作用。而差别于Si或SiC器件，GaN为直接带隙半导体，电子和空穴可通过辐射复合发出光子，本征少子寿命较短。因此，在直接带隙GaN器件中能否爆发电导调制、以及其能否在浪涌历程中有效发挥作用仍未有富足的实验验证。同时，笔直型GaN-on-GaN器件的浪涌电流能力随着浪涌脉冲时间（t_surge）和峰值浪涌电流（I_peak）的演化及其潜在机制尚待研究。

在中国科学技术大学微纳研究与制造中心平台上，课题组自研了具有2 kV耐压能力、较低导通电阻的笔直型GaN-on-GaN PiN二极管。本事情系统研究了一系列t_surge（5 μs~10 ms）和I_peak（1~10 A）下笔直型GaN-on-GaN PiN二极管浪涌能力的动态演化历程，发明笔直型GaN-on-GaN PiN二极管中光子增强或热增强的电导调制可有效提升其导通能力，使得浪涌电流瞬态中的电流-电压特性（I-V）泛起逆时针回滞。研究结果以“Surge Current Ruggedness in Vertical GaN-on-GaN PiN Diode: Role of Conductivity Modulation”为题宣布在IEEE ISPSD 2023上，第一作者为我校微电子学院博士生杜佳宏，微电子学院杨树教授为论文通讯作者。

图3. (a)笔直GaN-on-GaN PiN二极管；(b)浪涌测试平台；(c)浪涌测试结果

图4. 参会人员合照：龙世兵教授（右三）、杨树教授（右四）

两项研究获得了国家自然科学基金、中国科学院战略性先导研究计划、中国科学院前沿科学重点研究计划、科技委、广东省重点领域研究生长计划、中国科学技术大学青年立异重点项目、浙江省杰出青年科学基金和台达电力电子重点项目的资助，同时获得了中国科学技术大学微纳研究与制造中心、信息科学实验中心的支持。

上一篇简述GaN 外延生长要领及生长模式

下一篇具有集成鳍型二极管的低反向导通损耗氧化镓纵向FinFET

分享到：

yh533388银河

中国科大在功率电子器件领域取得重要进展