中國科大在氧化鎵半導體器件領(lǐng)域取得重要進(jìn)展

IT之家 12 月 12 日消息，據中國科大發(fā)布，第 68 屆 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM, 國際電子器件大會(huì )) 近期在美國舊金山召開(kāi)。IEEE IEDM 是年度微電子和納電子學(xué)術(shù)會(huì )議，是報告半導體和電子器件技術(shù)、設計、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(chēng)為集成電路和半導體領(lǐng)域的“奧林匹克盛會(huì )”。中國科大國家示范性微電子學(xué)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(huì )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(kāi)發(fā)出有效的邊緣終端結構，緩解肖特基電極邊緣電場(chǎng)是目前氧化鎵肖特基二極管研究的熱點(diǎn)。由于氧化鎵 P 型摻雜目前尚未解決，PN 結相關(guān)的邊緣終端結構一直是難點(diǎn)。該工作基于氧化鎵異質(zhì) PN 結的前期研究基礎（Weibing Hao, et.al.，in proc. ISPSD, 105，2022），將異質(zhì)結終端擴展結構（Junction Termination Extension, JTE）成功應用于氧化鎵肖特基二極管。該研究通過(guò)合理設計優(yōu)化 JTE 區域的電荷濃度，確保不影響二極管正向特性的同時(shí)最大化削弱肖特基邊緣電場(chǎng)，從而有效提高器件的耐壓能力。優(yōu)化后的器件實(shí)現了 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(xué)院博士生郝偉兵，微電子學(xué)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 結終端擴展氧化鎵肖特基二極管。（a）器件結構示意圖。（b）具有不同 JTE 區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)境監測、光通信、深空探索等諸多領(lǐng)域發(fā)揮著(zhù)越來(lái)越重要的作用。響應度和響應速度是光電探測器的兩個(gè)關(guān)鍵的性能參數，然而這兩個(gè)指標之間存在著(zhù)制約關(guān)系，此消彼長(cháng)。由于缺乏成熟的材料缺陷控制技術(shù)，該問(wèn)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(guò)引入額外的輔助光源實(shí)現對向光柵（OPG）調控方案（圖 2a），來(lái)緩解上述制約關(guān)系。該 OPG 方案下的 Ga2O3 / WSe2 結型場(chǎng)效應晶體管探測器在目標光（深紫外）照射下表現出負向光柵效應（NPG），器件的閾值電壓往負向移動(dòng)（圖 2b）；與之相反，輔助光源（可見(jiàn)光）照射使器件表現出正向光柵效應（PPG），器件的閾值電壓往正向移動(dòng)；在目標光及輔助光同時(shí)照射下，器件整合了正、負對向光柵效應，但總體表現為閾值電壓朝負向移動(dòng)。OPG 方案有效抑制器件內嚴重的持續光電導效應，器件的響應速度明顯提升（圖 2c）。此外，如圖（2d）所示，OPG 調控方案中引入的輔助性可見(jiàn)光對器件的光 / 暗電流比和響應度等關(guān)鍵指標幾乎不產(chǎn)生影響。最終，當 OPG 方案中的可見(jiàn)光常開(kāi)，在僅犧牲 10.4 % 的響應度的情況下即實(shí)現了 > 1200 倍響應速度的提升，成功削弱了響應度和響應速度之間的制約關(guān)系。特別地，當通過(guò)反饋電路控制輔助光源僅在器件響應的下降沿觸發(fā)，將在無(wú)響應度犧牲的情況下實(shí)現響應速度的數量級提升。該工作提出了一種光電探測器芯片內千萬(wàn)像素共享一顆輔助 LED 即可緩解響應度與響應速度之間的制約關(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(xué)院龍世兵教授和趙曉龍特任副研究員為論文的共同通訊作者，微電子學(xué)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(xué)基金、中國科學(xué)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(xué)實(shí)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。