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(shù)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(zhì)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(lǐng)域的世界最高值，是其他研究機構(gòu)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(shù)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(shè)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(fēng)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(zhuǎn)換裝置的進一步發(fā)展。關(guān)于本成果的詳細信息，將于 2025 年 3 月 15 日在第 72 屆應(yīng)用物理學(xué)會春季學(xué)術(shù)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(shè)備、電動汽車、鐵路車輛、太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等各種功率電子設(shè)備中的應(yīng)用備受期待。此外，由于其能夠?qū)崿F(xiàn)搭載電氣設(shè)備的小型化和高效化，國內(nèi)外企業(yè)和研究機構(gòu)也正在加速相關(guān)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(chǎn)品化為目標(biāo)，參與了防衛(wèi)裝備廳安全保障技術(shù)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(shè)置由 Mg 離子注入形成的高電阻保護環(huán)結(jié)構(gòu)^※5，成功實現(xiàn)了 β-Ga₂O₃ MOSFET 的功率品質(zhì)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(shù)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(dǎo)體（如SiC、GaN）通常使用 p 型導(dǎo)電層^※7緩解電場集中，但氧化鎵尚未建立成熟的 p 型導(dǎo)電層技術(shù)，因此無法將同樣的方法應(yīng)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(zhì)^※8，并通過活化熱處理^※10，構(gòu)建出高電阻防護環(huán)結(jié)構(gòu)。

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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。

?具備多鰭式（Multi-Fin）結(jié)構(gòu)^※11，可在無需 p 型導(dǎo)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(dǎo)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(guān)系。漏極電流導(dǎo)通/關(guān)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(jié)構(gòu)，擊穿電壓從之前的 1.6 kV 上升到 5.15 kV。保護環(huán)結(jié)構(gòu)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(rèn)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(dǎo)通電阻和擊穿電壓

圖 5 顯示了特性導(dǎo)通電阻（R_on,sp）與擊穿電壓（V_br）之間的關(guān)系，后者是功率器件的性能指標(biāo)。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(jié)構(gòu)，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(gòu)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(jié)構(gòu)，包括引入 NiO 等異質(zhì) p 型半導(dǎo)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(shù)，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(shù)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(dǎo)體材料。

※2 碳化硅（SiC）：是硅和碳的化合物，一種寬禁帶半導(dǎo)體材料

※3 氮化鎵（GaN）：是鎵和氮的化合物，一種寬禁帶半導(dǎo)體材料。

※4 功率器件：能控制高電壓、大電流的半導(dǎo)體元件，如逆變器等。

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

※6 功率品質(zhì)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(biāo)，數(shù)值越大性能越為優(yōu)秀。

※7 p型導(dǎo)電層：導(dǎo)電半導(dǎo)體中的載流粒子為空穴而非電子的半導(dǎo)體層。

※8 受主雜質(zhì)：受主雜質(zhì)是指能夠捕獲電子并帶負電的半導(dǎo)體中的雜質(zhì)。通常情況下，受主雜質(zhì)通過捕獲電子在半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生空穴，從而使半導(dǎo)體成為p型半導(dǎo)體。

※9 離子注入：離子注入是一種向半導(dǎo)體中添加雜質(zhì)的技術(shù)。其原理是將雜質(zhì)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(dǎo)體材料中。

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

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

※12 亞閾值系數(shù)：亞閾值系數(shù)是衡量晶體管關(guān)斷性能的指標(biāo)，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(zhì)量的下降而增加（即性能劣化）。

 

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