西電郝躍院士、韓根全教授聯(lián)合中科院半導(dǎo)體所鄭軍副研究員團(tuán)隊(duì)：藍(lán)寶石基β-Ga?O?雙模式MOSFET實(shí)現(xiàn) 4.1/3.5kV擊穿電壓
由西安電子科技大學(xué)郝躍院士、韓根全教授、王軼博副教授聯(lián)合中科院半導(dǎo)體所鄭軍副研究員團(tuán)隊(duì)在學(xué)術(shù)期刊Japanese Journal of Applied Physics發(fā)布了一篇名為“4.1/3.5 kV Breakdown Voltage in Depletion/Enhancement-Mode MOCVD-Grown Ga?O? MOSFETs on Sapphire Substrates”（藍(lán)寶石襯底上 MOCVD 生長的耗盡型/增強(qiáng)型 β-Ga?O? MOSFET 實(shí)現(xiàn) 4.1/3.5 kV 擊穿電壓）的文章。
一、 背景
β-氧化鎵（β-Ga?O?）是核心功率半導(dǎo)體材料，禁帶寬度約 4.8~4.9 eV，具備優(yōu)異的耐壓特性，適配高電場工作場景。分子束外延、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）等外延技術(shù)可制備高質(zhì)量導(dǎo)電溝道，推動高性能功率金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）發(fā)展。氧化鎵同質(zhì)外延功率 MOSFET 已實(shí)現(xiàn)優(yōu)異電學(xué)性能，垂直器件擊穿電壓超 2.6 kV，橫向器件超 10 kV。目前 4 英寸半絕緣氧化鎵同質(zhì)外延襯底已問世，6 英寸襯底也在研發(fā)中，但同質(zhì)襯底存在熱導(dǎo)率低、高溫下電學(xué)性能劣化的問題，且成本高昂。
藍(lán)寶石襯底具備低成本、大尺寸、商業(yè)化成熟的優(yōu)勢，是制備氧化鎵導(dǎo)電溝道與功率器件的理想平臺?，F(xiàn)有藍(lán)寶石基氧化鎵 MOSFET 多采用原位 Si 摻雜，但其外延層存在大量孿晶、層錯(cuò)等晶格畸變，正向與擊穿性能不佳；氟等離子體表面摻雜技術(shù)雖能提升溝道導(dǎo)電性，但氟在 β-Ga?O? 中揮發(fā)性高，摻雜效率受限。當(dāng)前藍(lán)寶石基異質(zhì)外延氧化鎵薄膜質(zhì)量差、導(dǎo)電性不足、器件結(jié)構(gòu)簡單，嚴(yán)重制約器件性能，該團(tuán)隊(duì)針對上述痛點(diǎn)開展研究，突破異質(zhì)外延器件的性能瓶頸。
二、 主要內(nèi)容
該團(tuán)隊(duì)在藍(lán)寶石襯底上通過 MOCVD 工藝實(shí)現(xiàn)了高性能β-Ga?O?功率 MOSFET。高分辨 X 射線衍射（HRXRD）與高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）表征證實(shí)，c 面藍(lán)寶石上的β-Ga?O?異質(zhì)外延薄膜為單晶結(jié)構(gòu)。該團(tuán)隊(duì)采用低損傷 Si?離子注入結(jié)合退火工藝提升材料導(dǎo)電性，基于凹槽溝道結(jié)構(gòu)制備了耗盡型（D-mode）與增強(qiáng)型（E-mode）β-Ga?O? MOSFET。通過引入源極場板、柵極場板與厚柵槽介質(zhì)（TGTD）結(jié)構(gòu)，耗盡型器件擊穿電壓達(dá) 4129 V，增強(qiáng)型器件達(dá) 3509 V。兩類器件的擊穿特性與同質(zhì)外延 β-Ga?O? MOSFET 相當(dāng)，且優(yōu)于已報(bào)道的藍(lán)寶石基異質(zhì)外延同類器件。
三、 創(chuàng)新點(diǎn)
1.高質(zhì)量異質(zhì)外延薄膜制備：該團(tuán)隊(duì)通過 MOCVD 工藝在藍(lán)寶石襯底上生長出單晶β-Ga?O?薄膜，位錯(cuò)呈非連續(xù)分布，有效阻斷垂直漏電通道。
2. 低損傷摻雜提升導(dǎo)電性：采用低損傷 Si? 離子注入+退火工藝，實(shí)現(xiàn)雜質(zhì)激活，將半絕緣薄膜轉(zhuǎn)化為導(dǎo)電薄膜，載流子濃度達(dá) 2×10¹? cm?³。
3.雙模式器件成功制備：通過調(diào)控凹槽刻蝕深度，同步實(shí)現(xiàn)耗盡型與增強(qiáng)型 β-Ga?O? MOSFET，閾值電壓滯后極小。
4. 超高擊穿電壓突破：結(jié)合源/柵雙場板與厚柵槽介質(zhì)結(jié)構(gòu)，耗盡型器件擊穿電壓達(dá) 4129 V，增強(qiáng)型達(dá) 3509 V，創(chuàng)藍(lán)寶石基異質(zhì)外延器件新高。
5. 器件均勻性優(yōu)異：晶圓級器件擊穿電壓相對標(biāo)準(zhǔn)偏差低于 3.5%，具備良好的批量制備均勻性。
四、 總結(jié)
該團(tuán)隊(duì)成功在藍(lán)寶石襯底上實(shí)現(xiàn) MOCVD 生長的高性能 β-Ga?O? 功率 MOSFET。低損傷 Si? 離子注入結(jié)合退火工藝提升了載流子濃度與導(dǎo)電性；凹槽溝道結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了耗盡型與增強(qiáng)型雙模式器件；源極、柵極場板與厚柵槽介質(zhì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，讓耗盡型器件擊穿電壓達(dá) 4129 V，增強(qiáng)型器件達(dá) 3509 V。該團(tuán)隊(duì)制備的藍(lán)寶石基異質(zhì)外延器件，擊穿特性與氧化鎵同質(zhì)外延 MOSFET 相當(dāng)，且性能優(yōu)于已報(bào)道的藍(lán)寶石基異質(zhì)外延同類器件，后續(xù)可通過優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)與異質(zhì)外延薄膜質(zhì)量，進(jìn)一步提升器件電學(xué)性能。
五、 項(xiàng)目支持
該研究得到國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)的資助。
圖1 （a）藍(lán)寶石襯底上制備的β-氧化鎵（β-Ga?O?）金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）結(jié)構(gòu)示意圖；（b）器件核心制備工藝步驟，其中UID指代非故意摻雜；（c）1 MHz頻率下，通過SiN?/β-Ga?O? MOS電容的電容-電壓（C-V）測試（插圖）提取得到的載流子分布曲線；（d）器件掃描電子顯微鏡（SEM）圖像，標(biāo)注出漏極、源極、源極場板及柵極區(qū)域。
圖2 （a）藍(lán)寶石襯底上MOCVD生長的β-Ga?O?薄膜X射線衍射2θ-ω圖譜；（b）Si?離子注入后β-Ga?O?的搖擺曲線，插圖為晶圓全域測試點(diǎn)位；離子注入后β-Ga?O?/藍(lán)寶石異質(zhì)結(jié)橫截面透射電鏡圖像：（c）整體形貌圖，插圖為選區(qū)電子衍射圖譜；（d）位錯(cuò)分布情況，橙色箭頭、黃色箭頭分別指代界面失配位錯(cuò)與縱向位錯(cuò)；（e）界面高分辨透射電鏡圖；（f）近表層β-Ga?O?高分辨透射電鏡圖，展現(xiàn)出優(yōu)異的結(jié)晶質(zhì)量。
圖3 多能量Si?離子注入后β-Ga?O?薄膜的二次離子質(zhì)譜深度分布曲線，注入?yún)?shù)分別為：15 keV（2×10¹³ cm?²）、30 keV（4×10¹³ cm?²）、60 keV（2.2×10¹? cm?²）。
圖4 采用凹槽柵極、厚柵槽介質(zhì)（TGTD）與雙場板結(jié)構(gòu)，藍(lán)寶石襯底上MOCVD生長的 (a), (c) 耗盡型（D-mode）與 (b), (d) 增強(qiáng)型（E-mode）β-Ga?O? MOSFET的雙向掃描轉(zhuǎn)移特性、輸出特性曲線；（e）耗盡型、（f）增強(qiáng)型MOSFET的三端擊穿特性曲線。平均擊穿電壓（Avg. Vbr）與（RSD）均提取自不同區(qū)位的同結(jié)構(gòu)分立器件。
圖5 柵漏間距（LGD）為40 μm的藍(lán)寶石基耗盡型（D-mode）β-Ga?O? MOSFET，Sentaurus TCAD電場仿真結(jié)果：（a）無源性場板、漏極電壓VD =2.6 kV條件下的電場分布；（b）帶有源極場板、漏極電壓VD =4.2 kV條件下的電場分布。插圖為截線處的電場分布曲線。
圖6 藍(lán)寶石基（a）耗盡型（D-mode）、（b）增強(qiáng)型（E-mode）器件擊穿電壓（Vbr）與比導(dǎo)通電阻（RON,sp）性能對標(biāo)圖（對比已報(bào)道的相關(guān)研究成果）。
DOI：
10.35848/1347-4065/ae51da
本文轉(zhuǎn)發(fā)自《亞洲氧化鎵聯(lián)盟》訂閱號