【会员论文】日本NCT：具有超过10kV击穿电压的Multi-fin常闭β-Ga₂O₃垂直晶体管

        由日本NCT的研究团队在学术期刊 Applied Physics Express 发布了一篇名为 Multi-fin normally-off β-Ga₂O₃ vertical transistor with a breakdown voltage exceeding 10 kV（具有超过10kV击穿电压的Multi-fin常闭 β-Ga₂O₃ 垂直晶体管）的文章。

        β-Ga₂O₃ 由于其大带隙（4.5–4.9 eV）、高理论击穿电场（6–8 MV/cm）及优异的 Baliga 功率因数，成为电动汽车、电力调节和高压开关等功率电子领域的研究热点。目前，横向和垂直晶体管均已开发，但高压垂直晶体管因需要高质量、低施主浓度（≤5×10¹⁵ cm^-3）、厚外延层（≥50 µm）及有效边缘终端结构而面临制备挑战，尤其在 (001) 取向外延层中 Cl 容易掺入。近期在 (011) 衬底上实现低施主浓度厚外延层，为高压垂直晶体管提供了可能。本研究基于此制备多鳍 β-Ga₂O₃ 垂直晶体管，实现常关型特性，并获得超过 10 kV 的击穿电压，展示了 β-Ga₂O₃ 垂直功率器件在超高压应用中的潜力。

        本研究展示了一种多鳍结构的常关型 β-Ga₂O₃ 垂直晶体管，其击穿电压超过10 kV，比导通电阻为289 mΩ·cm²，功率品质因数（PFOM）达到0.35 GW/cm²。该垂直晶体管采用卤化物气相外延（HVPE）在(011)取向的 β-Ga₂O₃ 衬底上外延生长，外延层厚度约 85 µm，施主浓度较低（N_d–N_a ≈ 1.8×10¹⁵ cm^-3），以提升击穿电压性能。超过10 kV的击穿电压是目前 β-Ga₂O₃ 垂直晶体管中报道的最高值。该结果表明 Ga₂O₃ 垂直功率器件具有巨大的应用潜力。

图 1. 带有栅极场板的多鳍 β-Ga₂O₃ 垂直晶体管示意横截面。

图 2. 多鳍 β-Ga₂O₃ 垂直晶体管制备工艺流程示意横截面。

图 3. (a) 鳍沟道的扫描电子显微镜（SEM）横截面图。 (b) 多鳍 β-Ga₂O₃ 垂直晶体管的光学顶视图。

图 4. (a) 多鳍 β-Ga₂O₃ 垂直场效应晶体管的 J_d-V_ds 特性。 (b) 假设电流在漂移层中以 45° 角扩散的情况下，有效导电宽度的示意图。

图 5. 多鳍 β-Ga₂O₃ 垂直场效应晶体管的 J_d、J_g-V_gs 特性（对数/线性坐标），及亚阈值斜率。

图 6. 垂直 β-Ga₂O₃ 多鳍场效应晶体管的三端关断状态（V_gs = 0 V）J_d、J_g-V_ds 特性。

图 7. 当前最先进的 β-Ga₂O₃ 横向与垂直功率晶体管的 R_on,sp 与 V_br 基准对比。

DOI：

doi.org/10.35848/1882-0786/ae0d2a