垂直型GaN-on-GaN功率二極管浪涌特性研究

近日，中國(guó)科大微電子學(xué)院兩篇論文入選第35屆功率半導(dǎo)體器件和集成電路國(guó)際會(huì)議（IEEE ISPSD）。IEEE ISPSD是功率半導(dǎo)體器件和集成電路領(lǐng)域在國(guó)際上重要的知名學(xué)術(shù)會(huì)議，ISPSD 2023于5月28日至6月1日在中國(guó)香港舉辦。會(huì)上，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)微電子學(xué)院執(zhí)行院長(zhǎng)龍世兵教授受邀作了題為“Gallium Oxide Vertical Power Devices: Technology, Design and Applications”的大會(huì)Short course報(bào)告，向國(guó)際同行介紹了氧化鎵（β-Ga2O3）作為超寬禁帶半導(dǎo)體材料在肖特基勢(shì)壘二極管（SBD）、異質(zhì)PN結(jié)二極管（PND）、場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）和功率IC等電力電子器件中的重要應(yīng)用，系統(tǒng)介紹了Ga2O3基功率器件的發(fā)展，包括β-Ga2O3單晶襯底和外延膜生長(zhǎng)，SBD、PND和MOSFET功率器件的仿真、設(shè)計(jì)和研制，以及β-Ga2O3功率模塊的設(shè)計(jì)研制，現(xiàn)場(chǎng)反響熱烈。

本次入選的兩篇oral論文工作如下：

1.高耐壓低損耗低漏電氧化鎵二極管

在當(dāng)前的β-Ga2O3肖特基勢(shì)壘二極管（SBD）功率器件研究方面，各界一直主要致力于緩解擊穿電壓（Vbr）與比導(dǎo)通電阻（Ron,sp）之間的矛盾關(guān)系，其中與NiO/β-Ga2O3異質(zhì)結(jié)工程相關(guān)的新型結(jié)構(gòu)開始引起研究人員的關(guān)注，這一異質(zhì)結(jié)技術(shù)克服了缺乏p型摻雜的挑戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)了4.7 kV的高耐壓器件。然而，由于氧化鎵材料的寬帶隙，異質(zhì)結(jié)二極管（HJD）中存在超過(guò)2 V的大正向壓降（ISPSD 2022 105），這導(dǎo)致器件具有較大的傳導(dǎo)損耗；SBD雖然正向壓降低，但高反向電場(chǎng)導(dǎo)致了大的反向漏電流，盡管通過(guò)采用NiO/β-Ga2O3異質(zhì)結(jié)構(gòu)作為結(jié)終端擴(kuò)展（JTE）對(duì)此有所改善（IEDM 2022 9.5），但反向漏電流仍然很大。

在這項(xiàng)工作中，通過(guò)采用p型NiO制備了具有混合單極和雙極型的垂直β-Ga2O3異質(zhì)結(jié)勢(shì)壘肖特基二極管（HJBS），陽(yáng)極邊緣采用NiO薄膜用作JTE抑制電極邊緣電場(chǎng)集聚效應(yīng)，該器件結(jié)合了SBD的低正向壓降和HJD的高阻斷電壓、低反向漏電的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)正向電壓超過(guò)HJD的導(dǎo)通電壓時(shí)，電流傳導(dǎo)模式從高導(dǎo)通電阻的單極性模式轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛯?dǎo)通電阻的雙極性模式，實(shí)驗(yàn)結(jié)果初步證明了β-Ga2O3HJBS中存在雙極行為。研究成果以“1 kV Verticalβ-Ga2O3Heterojunction Barrier Schottky Diode with Hybrid Unipolar and Bipolar Operation”為題發(fā)表在IEEE ISPSD 2023上，第一作者為中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)微電子學(xué)院博士生郝偉兵，微電子學(xué)院徐光偉特任副研究員為論文通訊作者。

圖2. (a) β-Ga2O3 SBD、HJBS、HJD的器件結(jié)構(gòu)對(duì)比圖；半徑為55 μm的(b) HJBS、(c) SBD、(d) HJD器件的Ron,sp

2.垂直型GaN-on-GaN功率二極管浪涌特性研究

相較于傳統(tǒng)平面型GaN-on-Si器件，垂直型GaN-on-GaN器件能夠拓展其電壓和功率等級(jí)，并具有優(yōu)異的動(dòng)態(tài)性能。在功率變換器開關(guān)等過(guò)程中，功率二極管通常需要承受較大浪涌電流。對(duì)于Si和SiC雙極型器件，電導(dǎo)調(diào)制對(duì)提升浪涌能力具有積極作用。而不同于Si或SiC器件，GaN為直接帶隙半導(dǎo)體，電子和空穴可通過(guò)輻射復(fù)合發(fā)出光子，本征少子壽命較短。因此，在直接帶隙GaN器件中能否發(fā)生電導(dǎo)調(diào)制、以及其能否在浪涌過(guò)程中有效發(fā)揮作用仍未有充足的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。同時(shí)，垂直型GaN-on-GaN器件的浪涌電流能力隨著浪涌脈沖時(shí)間（tsurge）和峰值浪涌電流（Ipeak）的演化及其潛在機(jī)制尚待研究。

在中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)微納研究與制造中心平臺(tái)上，課題組自研了具有2 kV耐壓能力、較低導(dǎo)通電阻的垂直型GaN-on-GaN PiN二極管。本工作系統(tǒng)研究了一系列tsurge（5 μs~10 ms）和Ipeak（1~10 A）下垂直型GaN-on-GaN PiN二極管浪涌能力的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程，發(fā)現(xiàn)垂直型GaN-on-GaN PiN二極管中光子增強(qiáng)或熱增強(qiáng)的電導(dǎo)調(diào)制可有效提升其導(dǎo)通能力，使得浪涌電流瞬態(tài)中的電流-電壓特性（I-V）呈現(xiàn)逆時(shí)針回滯。研究成果以“Surge Current Ruggedness in Vertical GaN-on-GaN PiN Diode: Role of Conductivity Modulation”為題發(fā)表在IEEE ISPSD 2023上，第一作者為中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)微電子學(xué)院博士生杜佳宏，微電子學(xué)院楊樹教授為論文通訊作者。

圖3. (a)垂直GaN-on-GaN PiN二極管；(b)浪涌測(cè)試平臺(tái)；(c)浪涌測(cè)試結(jié)果

兩項(xiàng)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)研究計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究計(jì)劃、科技委、廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研究發(fā)展計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)青年創(chuàng)新重點(diǎn)項(xiàng)目、浙江省杰出青年科學(xué)基金和臺(tái)達(dá)電力電子重點(diǎn)項(xiàng)目的資助，同時(shí)得到了中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)微納研究與制造中心、信息科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心的支持。

審核編輯：湯梓紅