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【国内论文】中国科大龙世兵教授团队：通过在氧气中退火提高基于氮离子注入的 β-Ga₂O₃ U 型沟槽栅 MOSFET 的阻断能力
日期：2025-05-27阅读：101
中国科学技术大学龙世兵教授的研究团队在学术期刊 Applied Physics Express 发布了一篇名为 Improved blocking capability of N-ion-implanted β-Ga2O3 U-shaped trench gate MOSFET by annealing in oxygen（通过氧气氛围退火提高基于氮离子注入的 β-Ga2O3 U 型沟槽栅 MOSFET 的阻断能力）的文章。
项目支持
本研究得到了国家自然科学基金（Grant No：U23A20358、62474170、62404214 和 62234007）、国家重点研发计划（Grant No：2024YFE0205200）、中国科学技术大学“双一流”建设专项基金（Grant No：WK2100000055）、中国博士后科学基金（Grant No：2024M753114）、湖南省长沙市揭榜挂帅项目（Grant No：kq2301006）以及中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所纳米器件重点实验室开放项目的支持。本研究部分工作在中国科学技术大学微纳研究与制造中心、信息科学实验室中心、物理实验教学中心以及中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所完成。
背 景
β-氧化镓（β-Ga2O3）因其高临界电场强度等优异特性，在下一代高效功率转换应用中是极具竞争力的候选材料，有望在相同电压等级下实现比 SiC、GaN 等材料更低的比导通电阻（Ron,sp）。 通过熔融生长法可以经济高效地生产高质量、大直径的 β-Ga2O3 单晶衬底。 垂直结构晶体管，特别是 U 型沟槽栅 MOSFET，在高功率应用中具有优势，因为它们可以减少表面不稳定性并在不增加芯片面积的情况下实现电压等级缩放。 鉴于 β-Ga2O3 难以实现有效的 p 型掺杂，可采用深受主掺杂形成电流阻挡层（CBL）。β-Ga2O3 UMOSFET 的一个关键挑战是电流阻挡层漏电大、耐压低，易导致器件过早击穿。氮（N）被认为是 β-Ga2O3 中一种有前景的受主掺杂剂。注入后退火对于修复注入损伤和激活掺杂剂至关重要，而退火气氛对缺陷的形成和器件性能有显著影响。 先前的研究表明，O2 退火可以起到抑制氧空位（VO）、改善其他类型 Ga2O3 器件或其他元素掺杂的 CBL 的击穿特性等作用。
主要内容
为了提高基于氮离子注入电流阻挡层（CBL）的 U 形沟槽栅极 MOSFET（UMOSFET）的阻断能力，该工作对离子注入后的退火气氛进行了优化。与氮气退火的 UMOSFET 相比，氧气退火的器件击穿电压提高，从 830 V 提升至 1330 V，同时保持了相近的比导通电阻。通过分析 CBL 的泄漏机制，氧气退火器件的泄漏电流降低归因于深施主浓度的降低以及与 Poole-Frenkel（PF）发射相关的陷阱能级的变化。这项工作验证了氧气退火是优化氮离子注入的 β-Ga2O3 功率 MOSFET 的有效方法。
图片示例
图 1：β-Ga2O3 UMOSFET 的横截面结构示意图。
图 2. (a) 900 °C N2 退火和 (b) 900 °C O2 退火 UMOSFET 的转移特性。(c) 900 °C N2 退火和 (d) 900 °C O2 退火 UMOSFET 的直流输出特性。
图 3. (a) 900 °C N2 退火和900 °C O2 退火 UMOSFET 的击穿特性。(b)文中UMOSFET与文献中报道的其他基于CBL的β-Ga2O3垂直晶体管特性对比。
DOI：
doi.org/10.35848/1882-0786/adcafe
