南京大学叶建东教授等人团队利用氮梯度工程协同调控沟道与电场，β-Ga₂O₃ ...

由南京大学叶建东教授、中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张晓东研究员、香港大学张宇昊教授的研究团队在学术期刊 Applied Physics Letters 发布了一篇名为 Nitrogen-graded electrostatic compensation for normally-off β-Ga₂O₃ planar-gate current-aperture vertical electron transistors（针对正常关断型 β-Ga₂O₃ 平面栅极电流孔径垂直电子晶体管的氮浓度梯度静电补偿）的文章。

01 背景

氧化镓（β-Ga₂O₃）作为一种超宽禁带半导体，在下一代高压大功率电力电子领域具有广阔的应用前景，但由于缺乏可靠的 p 型掺杂，限制了双极型器件结构的实现，使得垂直型氧化镓晶体管的增强型（normally-off）运行主要依赖于栅极沟道的静电调控。虽然平面栅 CAVET 架构避免了槽栅刻蚀并减少了栅极区域损伤，但由于零栅压下对表面沟道导电深度的静电控制能力有限，实现高性能增强型器件依然面临挑战；此外，传统的介质优化、结构缩放或刻蚀减薄等方法容易引入界面损伤或增加工艺复杂度。

02 主要内容

氧化镓（Ga₂O₃）垂直晶体管在下一代高压电力电子领域具有广阔前景，但由于表面沟道静电耗尽不足以及严重的栅极边缘电场拥挤，实现常关操作仍具挑战性。本文中，该团队展示了在全离子注入平面栅极 β-Ga₂O₃ 电流孔径垂直电子晶体管中，从耗尽模式到增强模式的可控转变。该结构最大限度地减少了栅极区域的损伤，避免了栅极沟槽蚀刻。通过引入垂直分布的电荷补偿，多步氮分级电流阻挡层（CBL）同时优化了沟道静电特性和高压电场分布。这种分级分布增强了亚表面沟道耗尽，抑制了并联导电，并将峰值电场从栅极边缘重新分布到埋入的 CBL。因此，增强模式器件的阈值电压为 4.17 V，击穿电压为 1310 V，比导通电阻为 19.1 mΩ·cm2，阈值迟滞极低，仅为 52 mV。这些结果表明，氮分级静电补偿是一种有效策略，可同时在垂直 β-Ga₂O₃ 晶体管中实现常关操作和增强的电压阻挡能力。

03 创新点

①氮梯度静电补偿策略：提出了一种基于多步氮离子注入（multi-step N-implantation）的梯度补偿策略，构建了具有垂直电荷补偿分布的电流阻挡层（CBL），有效增强了亚表面沟道的耗尽能力，抑制了平行导电。

②实现优异的增强型性能：基于全离子注入平面栅架构，实现了从耗尽型（D-mode）到增强型（E-mode）的受控转变，器件展现出 4.17 V 的正阈值电压（Vth）以及仅 52 mV 的超低阈值滞后。

③电场重分布与高击穿电压：氮梯度 CBL 有效缓解了栅极边缘的电场集中效应，将峰值电场从栅极介质边缘转移至埋层 CBL 区域，使增强型器件的击穿电压（BV）提升至 1310 V。

④均衡的功率器件综合特性：器件在实现千伏级高压阻断与增强型运行的同时，保持了 19.1 mΩ·cm2 的低比导通电阻（Ron,sp）和高达＞10⁸ 的开关比，且免除了复杂深刻蚀工艺带来的表面陷阱与损伤。

04 结论

综上所述，通过氮分级注入工程，在平面栅极 β-Ga₂O₃ CAVETs 中实现了从耗尽模式到增强模式的受控转换。分级补偿分布建立了一个部分耗尽的沟道，抑制了深处的并联导电，并增强了栅极静电控制，从而使阈值电压从 -13.38 V 提高到 4.17 V。同时，氮分级电流阻挡层将电场从栅极边缘重新分布，减轻了电场拥挤，并促进了更有利的体场分布。因此，优化后的器件实现了 1310 V 的击穿电压、19.1 mΩ·cm2 的特定导通电阻和 52 mV 的超低阈值电压滞后。这些结果凸显了氮分级注入在同时调控沟道静电特性和高压电场分布中的双重作用，为高性能常关垂直 β-Ga₂O₃ 功率晶体管的发展提供了有效途径。

05 项目支持

本研究得到了中国国家自然科学基金（编号62425403和62234007）以及江苏省科技重大专项（编号BG2024030）的支持。