中国科大在高功率氧化镓肖特基二极管方面取得重要进展

1

中国科大在高功率氧化镓肖特基二极管方面取得重要进展

近日，第68届IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM,国际电子器件大会)在美国旧金山召开。IEEE IEDM是一个年度微电子和纳电子学术会议，是报告半导体和电子器件技术、设计、制造、物理和建模等领域的关键技术突破的世界顶级论坛，其与ISSCC、VLSI并称为集成电路和半导体领域的“奥林匹克盛会”。本篇的研究成果就以“High-Performance Vertical β-Ga2O3 Schottky Barrier Diodes Featuring P-NiO JTE with Adjustable Conductivity”为题发表在IEDM 2022上，且获选为Top Ranked Student Paper。

如何开发出有效的边缘终端结构，缓解肖特基电极边缘电场是目前氧化镓肖特基二极管研究的热点。由于氧化镓P型掺杂目前尚未解决，PN结相关的边缘终端结构一直是难点。

该工作基于氧化镓异质PN结的前期研究基础（Weibing Hao, et.al.，in proc. ISPSD, 105，2022），将异质结终端扩展结构（Junction Termination Extension, JTE）成功应用于氧化镓肖特基二极管。该研究通过合理设计优化JTE区域的电荷浓度，确保不影响二极管正向特性的同时最大化削弱肖特基边缘电场，从而有效提高器件的耐压能力。优化后的器件实现了2.9 mΩ·cm2的低导通电阻和2.1 kV的高击穿电压，其功率品质因数高达1.52 GW/cm2。

此外，利用该优化工艺成功制备并封装了大面积的氧化镓肖特基二极管，器件正向偏压2 V下电流密度达到180 A/cm2，反向击穿电压高达1.3 kV。

出版信息

标题:

High-Performance Vertical β-Ga2 O3 Schottky Barrier Diodes Featuring P-NiO JTE with Adjustable Conductivity

出版信息:

IEEE，23 January 2023

DOI:

10.1109/IEDM45625.2022.10019468

2

段曦东课题组在验证二维半导体性能极限上取得重要进展

为了验证基于二维半导体晶体管性能确实能够取代或者超越传统硅基半导体，段曦东教授团队开发了原位生长金属二维半导体，构筑无损的范德华电接触技术，以此制备二维晶体管，有效避免传统光刻制造或金属集成工艺带来的表面污染、损伤和界面紊乱等问题，有利于表征二维半导体本征性能。团队进一步发展热应力可控产生晶界裂纹技术，控制相邻二维金属晶界间隙尺寸，自然定义了晶体管沟道。由此团队制备了沟道长度低于100nm的短沟道的、由二维金属形成范德华电接触的二维半导体晶体管原型管。团队在沟道长度为亚100纳米的二维半导体晶体管上普遍实现了大于1.50mA/μm的开态电流密度，特别是在20 nm的双层WSe2晶体管上实现了高达1.72mA/μm的开态电流密度的世界纪录。

晶体管同时具有低于0.50kΩ·μm的开态电阻、高的开关比。工作首次证实二维晶体管已经达到取代目前先进制程硅基半导体器件水平。团队的工作以巧妙的实验设计，坚实的实验结果对领域内长期存在的“二维半导体晶体管究竟能否获得比拟或者优于传统硅基半导体晶体管的性能”的疑问做出了肯定的回答，必将吸引半导体、芯片领域的专家和产业界、投资界的注意，推动硅基半导体后的新一代二维半导体、芯片技术的发展。

二维半导体由于具有原子薄的厚度、表面可以原子级洁净、无悬挂键、在单个或几个原子层厚度下仍表现出优异的电学特性，可有效免疫短沟道效应，这些特性对于晶体管的持续微缩是必不可少的。这一想法已经在国际设备与系统路线图（IRDS）中得到表达。在大量的文献中使用许多不同的方法构造了基于二维半导体的晶体管，报道了二维半导体可以获得较高载流子迁移率或低接触电阻。但是载流子迁移率、接触电阻作为常用来评估二维半导体性能的参数都是经过复杂推导得到的，可能产生严重的误差，导致器件性能的评估模棱两可，有时甚至相互矛盾，从而引发了有关二维半导体究竟能达到怎样的极限性能、究竟能否取代硅基半导体的疑问。

为了回答此疑问并可靠地展示二维半导体晶体管的潜力，作者提出使用开态电流密度（Ion）或饱和电流密度提供一种更直接、更可靠的方法来评估二维半导体的实际潜力。Ion是晶体管的一个关键参数，它直接决定晶体管的速度和固有栅极延迟到。而且Ion是用仪表直接测量的，误差可控。此外，开态电阻(Ron)也是评估沟道材料的内在电势的重要性能参数。与迁移率或接触电阻相比，Ion或Ron是直接测量的参数，具有最简单的推导和较小的不准确性。

该研究突破了二维晶体管的性能极限，首次证明了原子级厚度的二维晶体管在Ion方面与硅晶体管相比具有竞争优势，展示了二维半导体材料对于未来电子产品的巨大潜力。

出版信息

标题:

Bilayer tungsten diselenide transistors with on-state currents exceeding 1.5 milliamperes per micrometre

出版信息:

Nature Electronics，08 August 2022

DOI:

10.1038/s41928-022-00800-3

转自：“科研之友 ScholarMate”微信公众号

如有侵权，请联系本站删除！