【会员论文】西电郝跃院士、韩根全教授联合中科院半导体所郑军副研究员团队：蓝宝石基β-Ga₂O₃双模式MOSFET实现 4.1/3.5kV击穿电压

        β-氧化镓（β-Ga₂O₃）是核心功率半导体材料，禁带宽度约 4.8~4.9 eV，具备优异的耐压特性，适配高电场工作场景。分子束外延、金属有机化学气相沉积（MOCVD）等外延技术可制备高质量导电沟道，推动高性能功率金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）发展。氧化镓同质外延功率 MOSFET 已实现优异电学性能，垂直器件击穿电压超 2.6 kV，横向器件超 10 kV。目前 4 英寸半绝缘氧化镓同质外延衬底已问世，6 英寸衬底也在研发中，但同质衬底存在热导率低、高温下电学性能劣化的问题，且成本高昂。

        蓝宝石衬底具备低成本、大尺寸、商业化成熟的优势，是制备氧化镓导电沟道与功率器件的理想平台。现有蓝宝石基氧化镓 MOSFET 多采用原位 Si 掺杂，但其外延层存在大量孪晶、层错等晶格畸变，正向与击穿性能不佳；氟等离子体表面掺杂技术虽能提升沟道导电性，但氟在 β-Ga₂O₃ 中挥发性高，掺杂效率受限。当前蓝宝石基异质外延氧化镓薄膜质量差、导电性不足、器件结构简单，严重制约器件性能，该团队针对上述痛点开展研究，突破异质外延器件的性能瓶颈。

        该团队在蓝宝石衬底上通过 MOCVD 工艺实现了高性能β-Ga₂O₃功率 MOSFET。高分辨 X 射线衍射（HRXRD）与高分辨透射电子显微镜（HRTEM）表征证实，c 面蓝宝石上的β-Ga₂O₃异质外延薄膜为单晶结构。该团队采用低损伤 Si⁺离子注入结合退火工艺提升材料导电性，基于凹槽沟道结构制备了耗尽型（D-mode）与增强型（E-mode）β-Ga₂O₃ MOSFET。通过引入源极场板、栅极场板与厚栅槽介质（TGTD）结构，耗尽型器件击穿电压达 4129 V，增强型器件达 3509 V。两类器件的击穿特性与同质外延 β-Ga₂O₃ MOSFET 相当，且优于已报道的蓝宝石基异质外延同类器件。

        1.高质量异质外延薄膜制备：该团队通过 MOCVD 工艺在蓝宝石衬底上生长出单晶β-Ga₂O₃薄膜，位错呈非连续分布，有效阻断垂直漏电通道。

        2. 低损伤掺杂提升导电性：采用低损伤 Si⁺ 离子注入+退火工艺，实现杂质激活，将半绝缘薄膜转化为导电薄膜，载流子浓度达 2×10¹⁸ cm⁻³。

        3.双模式器件成功制备：通过调控凹槽刻蚀深度，同步实现耗尽型与增强型 β-Ga₂O₃ MOSFET，阈值电压滞后极小。

        4. 超高击穿电压突破：结合源/栅双场板与厚栅槽介质结构，耗尽型器件击穿电压达 4129 V，增强型达 3509 V，创蓝宝石基异质外延器件新高。

        5. 器件均匀性优异：晶圆级器件击穿电压相对标准偏差低于 3.5%，具备良好的批量制备均匀性。

        该团队成功在蓝宝石衬底上实现 MOCVD 生长的高性能 β-Ga₂O₃ 功率 MOSFET。低损伤 Si⁺ 离子注入结合退火工艺提升了载流子浓度与导电性；凹槽沟道结构实现了耗尽型与增强型双模式器件；源极、栅极场板与厚栅槽介质结构的应用，让耗尽型器件击穿电压达 4129 V，增强型器件达 3509 V。该团队制备的蓝宝石基异质外延器件，击穿特性与氧化镓同质外延 MOSFET 相当，且性能优于已报道的蓝宝石基异质外延同类器件，后续可通过优化器件结构与异质外延薄膜质量，进一步提升器件电学性能。

        该研究得到国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项、中央高校基本科研业务费的资助。

图1 （a）蓝宝石衬底上制备的β-氧化镓（β-Ga₂O₃）金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）结构示意图；（b）器件核心制备工艺步骤，其中UID指代非故意掺杂；（c）1 MHz频率下，通过SiNₓ/β-Ga₂O₃ MOS电容的电容-电压（C-V）测试（插图）提取得到的载流子分布曲线；（d）器件扫描电子显微镜（SEM）图像，标注出漏极、源极、源极场板及栅极区域。

图2 （a）蓝宝石衬底上MOCVD生长的β-Ga₂O₃薄膜X射线衍射2θ-ω图谱；（b）Si⁺离子注入后β-Ga₂O₃的摇摆曲线，插图为晶圆全域测试点位；离子注入后β-Ga₂O₃/蓝宝石异质结横截面透射电镜图像：（c）整体形貌图，插图为选区电子衍射图谱；（d）位错分布情况，橙色箭头、黄色箭头分别指代界面失配位错与纵向位错；（e）界面高分辨透射电镜图；（f）近表层β-Ga₂O₃高分辨透射电镜图，展现出优异的结晶质量。

图3 多能量Si⁺离子注入后β-Ga₂O₃薄膜的二次离子质谱深度分布曲线，注入参数分别为：15 keV（2×10¹³ cm⁻²）、30 keV（4×10¹³ cm⁻²）、60 keV（2.2×10¹⁴ cm⁻²）。

图4 采用凹槽栅极、厚栅槽介质（TGTD）与双场板结构，蓝宝石衬底上MOCVD生长的 (a), (c) 耗尽型（D-mode）与 (b), (d) 增强型（E-mode）β-Ga₂O₃ MOSFET的双向扫描转移特性、输出特性曲线；（e）耗尽型、（f）增强型MOSFET的三端击穿特性曲线。平均击穿电压（Avg. V_br）与（RSD）均提取自不同区位的同结构分立器件。

图5 栅漏间距（L_GD）为40 μm的蓝宝石基耗尽型（D-mode）β-Ga₂O₃ MOSFET，Sentaurus TCAD电场仿真结果：（a）无源性场板、漏极电压V_D =2.6 kV条件下的电场分布；（b）带有源极场板、漏极电压V_D =4.2 kV条件下的电场分布。插图为截线处的电场分布曲线。