近日，中國科大微電子學院兩篇論文入選第35屆功率半導體器件和集成電路國際會議（IEEE ISPSD，全稱：IEEE International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs）。IEEE ISPSD是功率半導體器件和集成電路領域在國際上重要的知名學術會議，ISPSD 2023于5月28日至6月1日在中國香港舉辦。會上，龍世兵教授受邀作了題為“Gallium Oxide Vertical Power Devices: Technology, Design and Applications”的大會Short course報告，向國際同行介紹了氧化鎵（β-Ga2O3）作為超寬禁帶半導體材料在肖特基勢壘二極管（SBD）、異質PN結二極管（PND）、場效應晶體管（FET）和功率IC等電力電子器件中的重要應用，系統介紹了Ga2O3基功率器件的發展，包括β-Ga2O3單晶襯底和外延膜生長，SBD、PND和MOSFET功率器件的仿真、設計和研制，以及β-Ga2O3功率模塊的設計研制，現場反響熱烈。
圖1. 龍世兵教授做Short course報告
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
在當前的β-Ga2O3肖特基勢壘二極管（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）與比導通電阻（Ron,sp）之間的矛盾關系，其中與NiO/β-Ga2O3異質結工程相關的新型結構開始引起研究人員的關注，這一異質結技術克服了缺乏p型摻雜的挑戰，實現了4.7 kV的高耐壓器件。然而，由于氧化鎵材料的寬帶隙，異質結二極管（HJD）中存在超過2 V的大正向壓降（ISPSD 2022 105），這導致器件具有較大的傳導損耗；SBD雖然正向壓降低，但高反向電場導致了大的反向漏電流，盡管通過采用NiO/β-Ga2O3異質結構作為結終端擴展（JTE）對此有所改善（IEDM 2022 9.5），但反向漏電流仍然很大。
在這項工作中，通過采用p型NiO制備了具有混合單極和雙極型的垂直β-Ga2O3異質結勢壘肖特基二極管（HJBS），陽極邊緣采用NiO薄膜用作JTE抑制電極邊緣電場集聚效應，該器件結合了SBD的低正向壓降和HJD的高阻斷電壓、低反向漏電的優點。當正向電壓超過HJD的導通電壓時，電流傳導模式從高導通電阻的單極性模式轉變為低導通電阻的雙極性模式，實驗結果初步證明了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”為題發表在IEEE ISPSD 2023上，第一作者為我校微電子學院博士生郝偉兵，微電子學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的器件結構對比圖；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，并具有優異的動態性能。在功率變換器開關等過程中，功率二極管通常需要承受較大浪涌電流。對于Si和SiC雙極型器件，電導調制對提升浪涌能力具有積極作用。而不同于Si或SiC器件，GaN為直接帶隙半導體，電子和空穴可通過輻射復合發出光子，本征少子壽命較短。因此，在直接帶隙GaN器件中能否發生電導調制、以及其能否在浪涌過程中有效發揮作用仍未有充足的實驗驗證。同時，垂直型GaN-on-GaN器件的浪涌電流能力隨著浪涌脈沖時間（tsurge）和峰值浪涌電流（Ipeak）的演化及其潛在機制尚待研究。
在中國科學技術大學微納研究與制造中心平臺上，課題組自研了具有2 kV耐壓能力、較低導通電阻的垂直型GaN-on-GaN PiN二極管。本工作系統研究了一系列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態演化過程，發現垂直型GaN-on-GaN PiN二極管中光子增強或熱增強的電導調制可有效提升其導通能力，使得浪涌電流瞬態中的電流-電壓特性（I-V）呈現逆時針回滯。研究成果以“Surge Current Ruggedness in Vertical GaN-on-GaN PiN Diode: Role of Conductivity Modulation”為題發表在IEEE ISPSD 2023上，第一作者為我校微電子學院博士生杜佳宏，微電子學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)浪涌測試平臺；(c)浪涌測試結果
圖4. 參會人員合照：龍世兵教授（右三）、楊樹教授（右四）
兩項研究得到了國家自然科學基金、中國科學院戰略性先導研究計劃、中國科學院前沿科學重點研究計劃、科技委、廣東省重點領域研究發展計劃、中國科學技術大學青年創新重點項目、浙江省杰出青年科學基金和臺達電力電子重點項目的資助，同時得到了中國科學技術大學微納研究與制造中心、信息科學實驗中心的支持。
ISPSD 2023會議官網：https://ispsd2023.com/
(來源：中國科學技術大學)