株式會社 Novel Crystal Technology （總部：埼玉縣狹山市，社長倉又朗人）在防衛(wèi)裝備廳安全保障技術研究推進制度（JP004596）“反向 MOS 溝道型氧化鎵晶體管的研究開發(fā)”項目中，成功開發(fā)了功率品質因數(shù)（PFOM）達到 1.23 GW/cm² 的氧化鎵垂直 MOS 晶體管（β-Ga₂O₃ MOSFET）。該 PFOM 值是 β-Ga₂O₃ FET 領域的世界最高值，是其他研究機構發(fā)表的 β-Ga₂O₃ FET最高值的 3.2 倍。

該次研究在中高耐壓（0.6-10 kV）氧化鎵晶體管的開發(fā)取得了重大進展，將推動功率電子技術的低成本化和高性能化。此外，未來有望通過提高工業(yè)用逆變器和電源等功率電子設備的效率并實現(xiàn)小型化，從而促進電動汽車、飛行汽車等電能的高效利用，以及太陽能、風能等可再生能源發(fā)電與電力系統(tǒng)并聯(lián)的高效電力轉換裝置的進一步發(fā)展。關于本成果的詳細信息，將于 2025 年 3 月 15 日在第 72 屆應用物理學會春季學術會議上以“通過 β-Ga₂O₃ FinFET 實現(xiàn)功率 FOM 1.23 GW/cm² 的驗證”為報告主題進行發(fā)表。

1.概述

氧化鎵（β-Ga₂O₃）^※1 作為一種可替代硅的高性能材料，與同樣在開發(fā)中的碳化硅（SiC）^※2 和氮化鎵（GaN）^※3 相比，憑借其優(yōu)異的材料特性和低成本的晶體生長方法，能夠制造出低損耗、低成本的功率器件^※4。因此，β-Ga₂O₃ 在家電、工業(yè)設備、電動汽車、鐵路車輛、太陽能發(fā)電、風力發(fā)電等各種功率電子設備中的應用備受期待。此外，由于其能夠實現(xiàn)搭載電氣設備的小型化和高效化，國內外企業(yè)和研究機構也正在加速相關研究與開發(fā)。

株式會社 Novel Crystal Technology 自 2019 年起，以實現(xiàn) β-Ga₂O₃ MOSFET 的產品化為目標，參與了防衛(wèi)裝備廳安全保障技術研究推進制度的“10 kV 級氧化鎵溝槽 MOSFET 的研究開發(fā)”和“反向 MOS 溝道型氧化鎵晶體管的研究開發(fā)”項目。此次，通過在具有高耐壓 β-Ga₂O₃ 漂移層的 MOSFET 柵極電極端部，設置由 Mg 離子注入形成的高電阻保護環(huán)結構^※5，成功實現(xiàn)了 β-Ga₂O₃ MOSFET 的功率品質因數(shù) (PFOM)^※6 的世界最高值 1.23 GW/cm²。這一開發(fā)成果將推動中高耐壓（0.6-10 kV）氧化鎵晶體管的開發(fā)，為功率電子技術的低成本化和高性能化帶來重大進展。

2.研究成果

此前，NCT 對于 β-Ga₂O₃ MOSFET 的研發(fā)由于柵極電極端部的電場集中問題，未能充分發(fā)揮其高絕緣擊穿電場強度（6~8 MV/cm）的優(yōu)勢。傳統(tǒng)功率半導體（如SiC、GaN）通常使用 p 型導電層^※7緩解電場集中，但氧化鎵尚未建立成熟的 p 型導電層技術，因此無法將同樣的方法應用于氧化鎵。

為克服這一難題，我們采用了 Mg 離子注入^※9的方式，在氧化鎵中形成深能級受主雜質^※8，并通過活化熱處理^※10，構建出高電阻防護環(huán)結構。

圖 1 . β-Ga₂O₃ MOSFET 簡要圖

圖1展示了本次開發(fā)的 β-Ga₂O₃ MOSFET 的橫截面結構和平面布局。該晶體管具備以下特點：

?采用有利于低損耗、大電流的垂直器件結構。

?具備多鰭式（Multi-Fin）結構^※11，可在無需 p 型導電層的情況下實現(xiàn)常閉（Normally-Off）特性；

?采用7.5 × 10¹⁵ cm^-3 的施主濃度、55 µm 厚的高耐壓 Ga₂O₃ 漂移層；

?在電極端部的 β-Ga₂O₃ 區(qū)域引入 Mg 離子注入保護環(huán)，有效緩解電場集中問題。

本次試制的 β-Ga₂O₃ MOSFET 采用 0.2 µm 的 mesa 寬度、3.5 µm 的柵極長度、70 µm 的鰭片長度、5 µm的鰭片間距，包含 10 條鰭片（Fin）。

圖 2 . 漏極電流-電壓特性

圖 2 顯示了試做的 β-Ga₂O₃ MOSFET 的漏極電流-電壓特性。按源極面積（50 µm × 60 µm）歸一化的最大電流密度為 218 A/cm² ，特性導通電阻為 21.6 mΩ·cm² （V_gs = 5 V）。

圖 3 . 漏極電流 · 柵極電流-柵極電壓特性

圖 3 所示漏極電流和柵極電流與柵極電壓的關系。漏極電流導通/關斷比提高了 8 位數(shù)以上，亞閾值系數(shù)^※12 為 162 mV/decade，顯示出良好的晶體管特性。

圖 4 . 晶體管耐壓波形

圖 4 顯示了在柵極和源極電壓固定為 0 V 時向漏極施加正電壓時的源極和柵極電流特性。通過采用 Mg 離子注入的保護環(huán)結構，擊穿電壓從之前的 1.6 kV 上升到 5.15 kV。保護環(huán)結構前后，β-Ga₂O₃ 漂移層中的最大電場強度估計分別為 2 MV/cm 和 3.72 MV/cm。研究人員認為，Mg 保護環(huán)減輕了柵極邊緣的電場集中，使漂移層中的電場強度得以提高。

圖 5 . MOSFET 的特性導通電阻和擊穿電壓

圖 5 顯示了特性導通電阻（R_on,sp）與擊穿電壓（V_br）之間的關系，后者是功率器件的性能指標。通過在電極終止區(qū)將 Mg 離子注入 β-Ga₂O₃ 而形成的保護環(huán)結構，擊穿電壓得到了明顯改善。因此，獲得了 1.23 GW/cm² 的良好 PFOM 值，比使用保護環(huán)前高出 13.3 倍?，F(xiàn)在的 PFOM 值是全球 β-Ga₂O₃ FET 中的最高值，是其他研究機構公布的 β-Ga₂O₃ FET 最高值的 3.2 倍。

3.未來展望

未來，研究人員將進一步優(yōu)化 β-Ga₂O₃ MOSFET的終端結構，包括引入 NiO 等異質 p 型半導體材料，進一步緩解電極端部的電場集中問題。通過這項技術，希望充分發(fā)揮 β-Ga₂O₃ 的高擊穿電場強度（6~8 MV/cm），實現(xiàn)超越 SiC 的高性能氧化鎵功率晶體管。

4.術語解釋

※1 氧化鎵（β-Ga₂O₃）：Gallium Oxide，是鎵和氧的化合物，一種寬禁帶半導體材料。

※2 碳化硅（SiC）：是硅和碳的化合物，一種寬禁帶半導體材料

※3 氮化鎵（GaN）：是鎵和氮的化合物，一種寬禁帶半導體材料。

※4 功率器件：能控制高電壓、大電流的半導體元件，如逆變器等。

※5 保護環(huán)結構：是一種通過在電極終端電場容易集中的區(qū)域設置與漂移層導電類型不同的導電層，來橫向擴展等電位面并緩解電場集中的一種結構。

※6 功率品質因數(shù)（PFOM）：計算公式為V_br²/R_on,sp；用于評估功率器件性能的重要指標，數(shù)值越大性能越為優(yōu)秀。

※7 p型導電層：導電半導體中的載流粒子為空穴而非電子的半導體層。

※8 受主雜質：受主雜質是指能夠捕獲電子并帶負電的半導體中的雜質。通常情況下，受主雜質通過捕獲電子在半導體內產生空穴，從而使半導體成為p型半導體。

※9 離子注入：離子注入是一種向半導體中添加雜質的技術。其原理是將雜質原子離子化后，通過數(shù)十千伏（kV）至數(shù)百千伏的高電壓加速注入到半導體材料中。

※10 活性化熱處理：通過高溫處理修復離子注入過程中半導體材料受到的損傷，并促進注入雜質的電學活性的工藝。通常使用的溫度為 600°C 至 1200°C。

※11 鰭式結構（FinFET）：鰭式結構是指柵極位于溝道的兩側或包裹溝道，形成雙柵極或多柵極結構的溝道部分設計。由于其形狀類似于魚鰭，因此被稱為“鰭式結構”。

※12 亞閾值系數(shù)：亞閾值系數(shù)是衡量晶體管關斷性能的指標，表示漏極電流增加一個數(shù)量級所需的柵極電壓變化量。亞閾值系數(shù)會因 MOS 界面質量的下降而增加（即性能劣化）。

 

本文轉發(fā)自《亞洲氧化鎵聯(lián)盟》訂閱號