超寬禁帶半導(dǎo)體（UWBG）氧化鎵（β-Ga2O3）作為戰(zhàn)略性先進(jìn)電子材料憑借其8 MV/cm優(yōu)異的超高擊穿場強(qiáng)以及獨(dú)特的大尺寸熔體生長優(yōu)勢，正迅速崛起為后摩爾時(shí)代功率電子器件的顛覆性力量。垂直結(jié)構(gòu)功率電子器件通過優(yōu)化縱向耐壓層設(shè)計(jì)，能夠在單位芯片面積內(nèi)同時(shí)實(shí)現(xiàn)萬伏（10 kV）級(jí)的高耐壓與千安（kA）級(jí)的超大通流能力，完美契合智能電網(wǎng)、新能源汽車、工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)中心電源以及可再生能源（光伏、風(fēng)電）變流器等對(duì)超高功率密度、高效率、小型化的迫切需求。

近日，中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所納米加工平臺(tái)在氧化鎵（β-Ga2O3）功率器件領(lǐng)域取得兩項(xiàng)重要突破：首次基于納米加工平臺(tái)開發(fā)工藝制備了多鰭通道歐姆接觸陽極β-Ga2O3二極管（MFCD），實(shí)現(xiàn)超低漏電的千伏級(jí)擊穿電壓；同時(shí)研制出高性能增強(qiáng)型垂直β-Ga2O3多鰭晶體管，創(chuàng)下4.3 mΩ·cm2最低比導(dǎo)通電阻紀(jì)錄。兩項(xiàng)成果可為高溫高壓應(yīng)用場景提供全新的解決方案。

多鰭通道二極管——打破傳統(tǒng)垂直結(jié)構(gòu)限制

圖 1 (a) 多鰭通道 β-Ga2O3二極管的示意圖，(b) 器件的關(guān)鍵工藝步驟，(c)鰭干法蝕刻后的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像， (d) 鰭寬400 nm二極管 SEM橫截面圖像。

該器件通過獨(dú)創(chuàng)的歐姆接觸陽極設(shè)計(jì)替代傳統(tǒng)肖特基結(jié)構(gòu)，結(jié)合亞微米鰭溝道引發(fā)的側(cè)壁自耗盡效應(yīng)，成功解決了寬禁帶半導(dǎo)體器件在高電場下的漏電失控難題。在無任何場板或鈍化層輔助的情況下，0.1 μm窄鰭器件展現(xiàn)出1148 V擊穿電壓，反向漏電流穩(wěn)定維持在1 μA/cm2的商用水平，且在150 ℃高溫環(huán)境下未出現(xiàn)性能衰減。歐姆接觸的引入使比導(dǎo)通電阻降至7 mΩ·cm2，較同類溝槽肖特基二極管降低35%，這一突破性進(jìn)展可為光伏逆變器、電動(dòng)汽車快充樁等高壓場景提供全新的解決方案。

圖2 (a) 垂直二極管的漏電流與擊穿電壓基準(zhǔn)性能對(duì)比，(b) 本工作中β-Ga2O3垂直二極管和溝槽SBD的導(dǎo)通電阻與擊穿電壓基準(zhǔn)性能對(duì)比，以及文獻(xiàn)中報(bào)道的結(jié)果對(duì)比。

該成果以Kilovolt-Class β-Ga2O3 Multi-Fin-Channel Diodes with Ohmic-Contact Anode為題發(fā)表在功率電子器件領(lǐng)域國際頂級(jí)會(huì)議IEEE 37th International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs 2025，第一作者為中國科學(xué)院蘇州納米所郭高甫和張曉東，通訊作者為張寶順研究員和河南師范大學(xué)戴憲起教授。

增強(qiáng)型垂直晶體管——破解"常開"難題

圖3 (a) 多鰭通道 β-Ga2O3 FinFET示意圖，（b）鰭寬300 nm二極管 SEM 橫截面圖像。

針對(duì)氧化鎵材料缺乏p型摻雜的核心瓶頸，研究團(tuán)隊(duì)同步研發(fā)出國際領(lǐng)先的增強(qiáng)型垂直多鰭晶體管。通過雙柵極鰭形溝道幾何限域技術(shù)，無需依賴p型層即實(shí)現(xiàn)可靠常關(guān)特性，其閾值電壓達(dá)0.87 V，開關(guān)比突破7×10?。創(chuàng)新地采用電子束光刻與非金屬掩?？涛g工藝，實(shí)現(xiàn)350 nm鰭寬精度控制，配合雙自對(duì)準(zhǔn)平面化技術(shù)精準(zhǔn)構(gòu)筑源漏接觸區(qū)。最終器件在10 V工作電壓下輸出760 A/cm2的超高電流密度，比導(dǎo)通電阻僅4.3 mΩ·cm2，同時(shí)維持975 V擊穿電壓與0.22 GW/cm2的優(yōu)異功率品質(zhì)因數(shù)（PFOM），為數(shù)據(jù)中心電源及工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片國產(chǎn)化奠定關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)。

圖4 最新垂直β-Ga2O3 MOSFET器件的Vbr與R(on,sp)性能對(duì)比圖。

該成果以975V/4.3mΩ·c㎡?Enhancement-mode (001) β-Ga2O3 Vertical Multi-fin Power Transistors為題發(fā)表在半導(dǎo)體領(lǐng)域國際會(huì)議9th IEEE Electron Devices Technology and Manufacturing 2025，第一作者為中國科學(xué)院蘇州納米所郭高甫，通訊作者為張寶順研究員和河南師范大學(xué)戴憲起教授。

上述工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、南昌重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)項(xiàng)目、江西省雙千計(jì)劃等項(xiàng)目支持，同時(shí)得到了中國科學(xué)院蘇州納米所納米加工平臺(tái)、測試平臺(tái)、納米器件研究部、納米真空互聯(lián)實(shí)驗(yàn)站（Nano-X）等部門大力支持。