中国科大在氧化镓半导体器件领域取得重要进展

近日，第68届IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM,国际电子器件大会)在美国旧金山召开。IEEE IEDM是一个年度微电子和纳电子学术会议，是报告半导体和电子器件技术、设计、制造、物理和建模等领域的关键技术突破的世界顶级论坛，其与ISSCC、VLSI并称为集成电路和半导体领域的“奥林匹克盛会”。中国科大国家示范性微电子学院龙世兵教授课题组两篇关于氧化镓器件的研究论文(高功率氧化镓肖特基二极管和氧化镓光电探测器)成功被大会接收，这也是中国科大首次以第一作者单位在IEEE IEDM上发表论文。
　　1.高功率氧化镓肖特基二极管
       如何开发出有效的边缘终端结构，缓解肖特基电极边缘电场是目前氧化镓肖特基二极管研究的热点。由于氧化镓P型掺杂目前尚未解决，PN结相关的边缘终端结构一直是难点。该工作基于氧化镓异质PN结的前期研究基础(Weibing Hao, et.al.，in proc. ISPSD, 105，2022)，将异质结终端扩展结构(Junction Termination Extension, JTE)成功应用于氧化镓肖特基二极管。该研究通过合理设计优化JTE区域的电荷浓度，确保不影响二极管正向特性的同时最大化削弱肖特基边缘电场，从而有效提高器件的耐压能力。优化后的器件实现了2.9 mΩ·cm2的低导通电阻和2.1kV的高击穿电压，其功率品质因数高达1.52 GW/cm2。此外，利用该优化工艺成功制备并封装了大面积的氧化镓肖特基二极管，器件正向偏压2V下电流密度达到180A/cm2，反向击穿电压高达1.3kV。研究成果以“High-Performance Vertical β-Ga2O3 Schottky Barrier Diodes Featuring P-NiO JTE with Adjustable Conductivity”为题发表在IEDM 2022上，且获选为Top Ranked Student Paper。论文第一作者为我校微电子学院博士生郝伟兵，微电子学院龙世兵教授和徐光伟特任副研究员为论文共同通讯作者。

图1结终端扩展氧化镓肖特基二极管。(a)器件结构示意图。(b)具有不同JTE区域电荷浓度的器件击穿特性比较。 (c)封装器件反向恢复特性测试电路。(d)与已报道的氧化镓肖特基二极管的性能比较。
         2.氧化镓光电探测器

光电探测器在目标跟踪、环境监测、光通信、深空探索等诸多领域发挥着越来越重要的作用。响应度和响应速度是光电探测器的两个关键的性能参数，然而这两个指标之间存在着制约关系，此消彼长。由于缺乏成熟的材料缺陷控制技术，该问题在以氧化镓材料为代表的超宽禁带半导体探测器中尤为突出。龙世兵教授团队通过引入额外的辅助光源实现对向光栅(OPG)调控方案(图2a)，来缓解上述制约关系。该OPG方案下的Ga2O3/WSe2结型场效应晶体管探测器在目标光(深紫外)照射下表现出负向光栅效应(NPG)，器件的阈值电压往负向移动(图2b)；与之相反，辅助光源(可见光)照射使器件表现出正向光栅效应(PPG)，器件的阈值电压往正向移动；在目标光及辅助光同时照射下，器件整合了正、负对向光栅效应，但总体表现为阈值电压朝负向移动。OPG方案有效抑制器件内严重的持续光电导效应，器件的响应速度明显提升(图2c)。此外，如图(2d)所示，OPG调控方案中引入的辅助性可见光对器件的光/暗电流比和响应度等关键指标几乎不产生影响。最终，当OPG方案中的可见光常开，在仅牺牲10.4 %的响应度的情况下即实现了>1200倍响应速度的提升，成功削弱了响应度和响应速度之间的制约关系。特别地，当通过反馈电路控制辅助光源仅在器件响应的下降沿触发，将在无响应度牺牲的情况下实现响应速度的数量级提升。该工作提出了一种光电探测器芯片内千万像素共享一颗辅助LED即可缓解响应度与响应速度之间的制约关系的策略，对光电探测芯片综合性能的提升有重要的参考意义。研究成果以“Alleviating the Responsivity-Speed Dilemma of Photodetectors via Opposite Photogating Engineering with an Auxiliary Light Source beyond the Chip”为题发表在IEDM 2022上。我校微电子学院龙世兵教授和赵晓龙特任副研究员为论文的共同通讯作者，微电子学院博士生邹燕妮为论文第一作者，硕士生曾妍和博士生谭鹏举为论文的共同第一作者。

图2对向光栅(OPG)光电探测器概念及基本特性。

上述两项研究得到了国家自然科学基金、中国科学院和科技委等的资助，也得到了中国科大微纳研究与制造中心、中国科大信息科学实验中心、富芯微电子公司等在器件制备、仿真模拟及封装方面的支持。