最新研發(fā)的氧化鎵MOSFET耐壓超過1800V

　　氧化鎵(β-Ga2O3)單晶是一種直接帶隙超寬禁帶氧化物半導(dǎo)體，其禁帶寬度為4.8～4.9eV，具有獨(dú)特的紫外透過特性(吸收截止邊～260nm);擊穿電場強(qiáng)度高達(dá)8MV/cm，是Si的近27倍、SiC及GaN的2倍以上，巴利加優(yōu)值分別是SiC、GaN的10倍、4倍以上，并且可以采用熔體法生長大尺寸體單晶，因此β-Ga2O3已成為超高壓功率器件和深紫外光電子器件的優(yōu)選材料之一。

　　紐約州立大學(xué)布法羅分校(University at Buffalo) 宣布研制出擊穿電壓超過1800V的β-Ga2O3 MOSFET [Ke Zeng et al, IEEE ElectronDevice Letters, published online 23 July 2018]，而在此之前的耐壓水平位于750V以下。擊穿電壓的提高歸因于場板設(shè)計(jì)的改進(jìn)，采用復(fù)合電介質(zhì)支撐場板金屬。在預(yù)期的高場區(qū)域采用原子層沉積( ALD )方法沉積電介質(zhì)從而提高了材料質(zhì)量。

　　該器件是使用半絕緣摻鐵Ga2O3襯底制造的，在該襯底上先后沉積200nm厚的非故意摻雜(unintentionally doped ，UID )和摻錫( Sn )Ga2O3外延層。然后在源極/漏極區(qū)域使用旋涂玻璃技術(shù)選擇性的進(jìn)行Sn摻雜。源極/漏極的接觸金屬是退火的鈦/金。柵極電介質(zhì)是用ALD方法沉積的20nm厚的二氧化硅薄膜。等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積( PECVD )和ALD方法沉積的二氧化硅為場板結(jié)構(gòu)提供了支持。該疊層還包括薄的ALD方法沉積的氧化鋁層，該層被設(shè)計(jì)成用作柵極溝槽反應(yīng)離子蝕刻的停止層。溝槽底部的氧化鋁蝕刻停止層通過濕法蝕刻去除。柵極和場板金屬由鈦/鋁/鎳/金組成。　　

　　圖 1 β-Ga2O3 MOSFET截面示意圖以及光學(xué)顯微鏡下的結(jié)構(gòu)圖像

　　在電子氟化液(Fluorinert)環(huán)境中，該器件的擊穿電壓達(dá)到1850V，此時(shí)的柵-漏距離為20μm。其他因素保持不變，在空氣環(huán)境下，該器件的擊穿電壓只有440V。通過改變柵-漏距離，研究人員發(fā)現(xiàn)在Fluorinert環(huán)境中下器件的擊穿電壓均為空氣環(huán)境下的4倍左右。　　

　　圖2 各材料體系電壓與導(dǎo)通電阻的關(guān)系(直線為理論值、符號(hào)為氧化鎵實(shí)驗(yàn)值)

　　研究人員將他們研制的器件與其他研究團(tuán)隊(duì)報(bào)道的橫向Ga2O3晶體管的性能進(jìn)行了比較。目前總體性能徘徊在Si基器件的理論極限附近，低于GaN和Ga2O3的預(yù)期極限。該團(tuán)隊(duì)期望通過更加精細(xì)的器件工藝來提高耐壓水平。此外，F(xiàn)luorinert液體也會(huì)被其他鈍化材料取代。