高压Ga₂O₃晶体管超过硅极限

4.4 kV Ga₂O₃ MESFET，带有夹层介质场板，其优值超过100 MW cm²

 

美国的一项合作声称为Ga₂O₃功率晶体管设定了新的基准。犹他大学、布法罗大学、Agnitron Technology和UCSB之间的合作伙伴表示，其MESFET是第一个击穿电压超过4 kV的Ga₂O₃晶体管，超过了硅的单极型理论优值。

 

由于几何形状的不同，将其器件的性能与SiC器件的性能进行比较并不容易——大多数SiC器件是垂直的，而Ga₂O₃ MESFET具有横向结构。

 

初步结果令人鼓舞。UCSB的Sriram Krishnamoorthy说：“如果我们与SiC横向器件相比，我们的器件提供了一半的器件面积以获得更高的击穿电压。”

 

然而，他警告说，现在对氧化镓和更成熟、商业化的 技术进行有意义的比较还为时过早。氧化镓技术只有十年的历史。

 

该团队的成功来自于避免有源区（即源极和漏极触点之间的区域）中的蚀刻损伤。

 

大多数Ga₂O₃晶体管的开发人员使用场板来降低峰值电场并提高击穿电压。然而，当他们制造这种设计时，会导致与蚀刻相关的损坏，从而降低有源区的电导率，导致导通电阻升高和导通电流降低。

 

犹他大学的Arkka Bhattacharyya评论道：“我们采用了一种工艺流程，可以避免对有源区进行任何干蚀刻，但接触层再生的区域除外。”他补充说，这可以确保低导通电阻和高导通电流。

 

通过金属蒸发和SiN的等离子体增强CVD的结合，形成了对活性区没有损坏的场板。

 

在栅极到漏极长度为34.5µm、栅极长度为2.4µm、栅极到源极距离为1.0µm的MESFET上进行的测量显示，最大导通电流为56 mA mm^-1，导通电阻为385Ω，最大跨导为6.2 mS mm^-1，亚阈值摆幅为186 mV dec^-1。

 

通过将晶圆浸入电介质液体中进行的击穿测量为栅长为34.5µm的器件提供了4415 V的值，为栅长为44.5µm的变体提供了4567 V的值。这对器件的特征导通电阻分别为148 mΩ cm²和219 mΩ cm²，相应的功率优值（定义为击穿电压的平方除以特征导通电阻）分别为132 MW cm^-2和96 MW cm^-2。根据该团队的基准测试，这些值超过了硅的理论极限，这一壮举以前仅限于击穿电压低于4 kV的器件。

 

上图（从上到下）：MESFET包含场板（a）。对于栅漏长度分别为34.5µm和44.5µm的器件，场板扩展分别为3.2µm和3.5µm。栅极场板金属与台面外的栅极焊盘连接（b）。器件沿x-z平面的2D横截面（c）。

 

目前，该合作计划研究正在替代钝化材料和策略，以提高沟道迁移率，同时抑制反向泄漏。

 

Krishnamoorthy说：“还可以使用栅极氧化物并以累积模式运行，这可以通过更高的电流密度进一步降低导通电阻。”

 

参考文献

 

A. Bhattacharyya et al. Appl. Phys. Express 15 061001 (2022)

 

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