NCT打破世界纪录——氧化镓器件性能提高3.2倍！

摘要：株式会社 Novel Crystal Technology （总部：埼玉县狭山市，社长仓又朗人）在防卫装备厅安全保障技术研究推进制度（JP004596）“反向 MOS 沟道型氧化镓晶体管的研究开发”项目中，成功开发了功率品质因数（PFOM）达到 1.23 GW

氧化镓器件新突破!

株式会社 Novel Crystal Technology （总部：埼玉县狭山市，社长仓又朗人）在防卫装备厅安全保障技术研究推进制度（JP004596）“反向 MOS 沟道型氧化镓晶体管的研究开发”项目中，成功开发了功率品质因数（PFOM）达到 1.23 GW/cm2 的氧化镓垂直 MOS 晶体管（β-Ga2O3 MOSFET）。该 PFOM 值是 β-Ga2O3 FET 领域的世界最高值，是其他研究机构发表的 β-Ga2O3 FET最高值的 3.2 倍。

该次研究在中高耐压（0.6-10 kV）氧化镓晶体管的开发取得了重大进展，将推动功率电子技术的低成本化和高性能化。此外，未来有望通过提高工业用逆变器和电源等功率电子设备的效率并实现小型化，从而促进电动汽车、飞行汽车等电能的高效利用，以及太阳能、风能等可再生能源发电与电力系统并联的高效电力转换装置的进一步发展。关于本成果的详细信息，将于 2025 年 3 月 15 日在第 72 届应用物理学会春季学术会议上以“通过 β-Ga2O3 FinFET 实现功率 FOM 1.23 GW/cm2 的验证”为报告主题进行发表。

氧化镓（β-Ga2O3）※1 作为一种可替代硅的高性能材料，与同样在开发中的碳化硅（SiC）※2 和氮化镓（GaN）※3 相比，凭借其优异的材料特性和低成本的晶体生长方法，能够制造出低损耗、低成本的功率器件※4。因此，β-Ga2O3 在家电、工业设备、电动汽车、铁路车辆、太阳能发电、风力发电等各种功率电子设备中的应用备受期待。此外，由于其能够实现搭载电气设备的小型化和高效化，国内外企业和研究机构也正在加速相关研究与开发。

株式会社 Novel Crystal Technology 自 2019 年起，以实现 β-Ga2O3 MOSFET 的产品化为目标，参与了防卫装备厅安全保障技术研究推进制度的“10 kV 级氧化镓沟槽 MOSFET 的研究开发”和“反向 MOS 沟道型氧化镓晶体管的研究开发”项目。此次，通过在具有高耐压 β-Ga2O3 漂移层的 MOSFET 栅极电极端部，设置由 Mg 离子注入形成的高电阻保护环结构※5，成功实现了 β-Ga2O3 MOSFET 的功率品质因数 (PFOM)※6 的世界最高值 1.23 GW/cm2。这一开发成果将推动中高耐压（0.6-10 kV）氧化镓晶体管的开发，为功率电子技术的低成本化和高性能化带来重大进展。

此前，NCT 对于 β-Ga2O3 MOSFET 的研发由于栅极电极端部的电场集中问题，未能充分发挥其高绝缘击穿电场强度（6~8 MV/cm）的优势。传统功率半导体（如SiC、GaN）通常使用 p 型导电层※7缓解电场集中，但氧化镓尚未建立成熟的 p 型导电层技术，因此无法将同样的方法应用于氧化镓。

为克服这一难题，我们采用了 Mg 离子注入※9的方式，在氧化镓中形成深能级受主杂质※8，并通过活化热处理※10，构建出高电阻防护环结构。

图 1 . β-Ga2O3 MOSFET 简要图

图1展示了本次开发的 β-Ga2O3 MOSFET 的横截面结构和平面布局。该晶体管具备以下特点：

・采用有利于低损耗、大电流的垂直器件结构。

・具备多鳍式（Multi-Fin）结构※11，可在无需 p 型导电层的情况下实现常闭（Normally-Off）特性；

・采用7.5 × 1015 cm-3 的施主浓度、55 µm 厚的高耐压 Ga2O3 漂移层；

・在电极端部的 β-Ga2O3 区域引入 Mg 离子注入保护环，有效缓解电场集中问题。

本次试制的 β-Ga2O3 MOSFET 采用 0.2 µm 的 mesa 宽度、3.5 µm 的栅极长度、70 µm 的鳍片长度、5 µm的鳍片间距，包含 10 条鳍片（Fin）。

图 2 . 漏极电流-电压特性

图 2 显示了试做的 β-Ga2O3 MOSFET 的漏极电流-电压特性。按源极面积（50 µm × 60 µm）归一化的最大电流密度为 218 A/cm2 ，特性导通电阻为 21.6 mΩ·cm2 （Vgs = 5 V）。

图 3 . 漏极电流 · 栅极电流-栅极电压特性

图 3 所示漏极电流和栅极电流与栅极电压的关系。漏极电流导通/关断比提高了 8 位数以上，亚阈值系数※12 为 162 mV/decade，显示出良好的晶体管特性。

图 4 . 晶体管耐压波形

图 4 显示了在栅极和源极电压固定为 0 V 时向漏极施加正电压时的源极和栅极电流特性。通过采用 Mg 离子注入的保护环结构，击穿电压从之前的 1.6 kV 上升到 5.15 kV。保护环结构前后，β-Ga2O3 漂移层中的最大电场强度估计分别为 2 MV/cm 和 3.72 MV/cm。研究人员认为，Mg 保护环减轻了栅极边缘的电场集中，使漂移层中的电场强度得以提高。

图 5 . MOSFET 的特性导通电阻和击穿电压

图 5 显示了特性导通电阻（Ron,sp）与击穿电压（Vbr）之间的关系，后者是功率器件的性能指标。通过在电极终止区将 Mg 离子注入 β-Ga2O3 而形成的保护环结构，击穿电压得到了明显改善。因此，获得了 1.23 GW/cm2 的良好 PFOM 值，比使用保护环前高出 13.3 倍。现在的 PFOM 值是全球 β-Ga2O3 FET 中的最高值，是其他研究机构公布的 β-Ga2O3 FET 最高值的 3.2 倍。

未来，研究人员将进一步优化 β-Ga2O3 MOSFET的终端结构，包括引入 NiO 等异质 p 型半导体材料，进一步缓解电极端部的电场集中问题。通过这项技术，希望充分发挥 β-Ga2O3 的高击穿电场强度（6~8 MV/cm），实现超越 SiC 的高性能氧化镓功率晶体管。

※1 氧化镓（β-Ga2O3）：Gallium Oxide，是镓和氧的化合物，一种宽禁带半导体材料。

※2 碳化硅（SiC）：是硅和碳的化合物，一种宽禁带半导体材料

※3 氮化镓（GaN）：是镓和氮的化合物，一种宽禁带半导体材料。

※4 功率器件：能控制高电压、大电流的半导体元件，如逆变器等。

※5 保护环结构：是一种通过在电极终端电场容易集中的区域设置与漂移层导电类型不同的导电层，来横向扩展等电位面并缓解电场集中的一种结构。

※6 功率品质因数（PFOM）：计算公式为Vbr2/Ron,sp；用于评估功率器件性能的重要指标，数值越大性能越为优秀。

※7 p型导电层：导电半导体中的载流粒子为空穴而非电子的半导体层。

※8 受主杂质：受主杂质是指能够捕获电子并带负电的半导体中的杂质。通常情况下，受主杂质通过捕获电子在半导体内产生空穴，从而使半导体成为p型半导体。

※9 离子注入：离子注入是一种向半导体中添加杂质的技术。其原理是将杂质原子离子化后，通过数十千伏（kV）至数百千伏的高电压加速注入到半导体材料中。

※10 活性化热处理：通过高温处理修复离子注入过程中半导体材料受到的损伤，并促进注入杂质的电学活性的工艺。通常使用的温度为 600°C 至 1200°C。

※11 鳍式结构（FinFET）：鳍式结构是指栅极位于沟道的两侧或包裹沟道，形成双栅极或多栅极结构的沟道部分设计。由于其形状类似于鱼鳍，因此被称为“鳍式结构”。