关键词：
氧化镓
场效应晶体管
增强型
可靠性
场板
摘要：
单斜晶相氧化镓（β-Ga2O3）具有4.5～4.9 e V的超宽禁带和8 MV/cm的超高临界击穿电场强度等优异的材料特性,器件的Baliga优值分别是Si、Si C及Ga N器件的3444倍、10倍及4倍。这表明在相同击穿电压（Breakdown voltage,BV）级别时,β-Ga2O3的漂移区长度可以减小以获得更低的比导通电阻(Specific on-resistance,Ron,sp),从而实现更低的损耗以及更小的器件尺寸。同时,β-Ga2O3可以采用低成本的熔融法制造出大尺寸高品质的单晶衬底。因此,β-Ga2O3功率器件具备低Ron,sp、高BV及低成本等优势,特别适合高功率、高节能及高可靠性等应用领域。但要获得更高性能的器件并进一步挖掘β-Ga2O3理论极限,需要解决如下四个关键问题:（1）β-Ga2O3器件的BV远低于理论极限,因缺乏p型掺杂,需要设计新型结终端技术。（2）β-Ga2O3 MOSFET无法同时兼具高阈值电压(Threshold voltage,VTH)、低Ron,sp、高BV及大电流密度。（3）β-Ga2O3器件在电应力、热应力及耦合应力下的退化机制不明、退化模型缺失及无相应的可靠性加固技术。
针对以上关键问题,本文从β-Ga2O3 MOSFET结构设计、仿真研究、制造工艺、测试表征和可靠性研究全链条开展器件创新研究,提出两种新型器件结构和两种退化模型,主要创新点如下:
1.提出高压低功耗增强型栅控异质结纵向氧化镓MOSFET新结构
本文提出了实现高压低功耗纵向氧化镓功率MOSFET的新设计理念。通过在栅槽一侧的栅控NiO/β-Ga2O3异质结（Gate-controlled heterojunction,GCH）和另一侧的金属-绝缘层-半导体（Metal-Insulator-Semiconductor,MIS）构成纵向MOSFET（GCH-VMOS）。此结构兼具高VTH、高饱和电流密度和高BV等优异性能,同时制造可行性高且对工艺精度需求较低。栅极处于零偏置时,GCH和MIS结构共同耗尽导电沟道,从而实现增强型;正向阻断时,栅控异质结处于反偏状态,对沟道的耗尽作用进一步增强,从而实现低泄漏电流和高BV;导通时,MIS结构使沟道中形成电子积累层,NiO/β-Ga2O3异质结正偏有助于导电沟道扩展,从而获得高电流密度。仿真结果显示实现增强型GCH-VMOS VTH=0.6 V,Ron,sp=4.26 mΩ·cm2,最大饱和电流密度为1.5 k A/cm2,BV=2583 V,功率优值为1.54 GW/cm2,这些性能指标领先于目前增强型纵向氧化镓功率MOSFET。
2.提出并研究NiO/β-Ga2O3异质结FET（Heterojunction FET,HJ-FET）界面偶极子电离模型与电热老化技术（Electrothermal Aging,ETA）
本文创新性提出界面偶极子电离模型来同时解释NBS导致的空间电荷区变薄和复合中心浓度降低,这两种现象会分别导致HJ-FET和栅-源等效二极管电学特性负向/正向漂移。基于此模型提出的ETA技术在高温NBS下,器件的可靠性得以大幅提升。在40℃时,ETA处理后VTH的漂移率从处理前的31%降至0.4%。此外,ETA处理后的器件在200℃时也能保持2.4%的极低VTH漂移率。ETA技术的提出对于氧化镓异质结高可靠性应用成为可能,大幅推动氧化镓功率器件商业化进程。
3.研究氧化镓MOSFET在电-热应力下的退化机制并提出电离陷阱模型
本文采用测试-应力-测试方式结合迟滞测试创新性地研究了氧化镓MOSFET在栅应力和热应力下的VTH不稳定机制。在正栅极偏压应力（Positive gate bias stress,PBS）下,栅介质Al2O3中的边界陷阱捕获电子导致VTH正向漂移,随着温度的升高,激活的深受主界面态与边界陷阱将共同捕获更多的电子导致器件发生更加严重的VTH正向漂移。与PBS不同,在负栅极偏置应力（Negative gate bias stress,NBS）下,边界陷阱、界面态和体陷阱三者共同作用导致器件性能退化。本文提出了电离陷阱模型来解释器件在PBS和NBS下非统一的退化机制,通过仿真和实验的一致性验证了模型的准确性。本文创建的退化模型可区分界面态和边界陷阱有助于识别缺陷、优化器件结构和制造工艺,为提高大功率应用中β-Ga2O3 MOSFET的可靠性提供重要理论依据。
4.提出并实验研制出高压二阶栅-漏浮空场板氧化镓MOSFET新结构
本文进行创新的版图设计和高精度工艺控制,制造出多种场板组合方式的氧化镓MOSFET,重点研究了氧化镓MOSFET场板设计对击穿特性的影响。二阶栅-漏浮空场板有效优化了耐压时栅极和漏极的电场分布,其BV
