近日，第68屆IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM,國際電子器件大會)在美國舊金山召開。IEEE IEDM是一個年度微電子和納電子學術會議，是報告半導體和電子器件技術、設計、制造、物理和建模等領域的關鍵技術突破的世界頂級論壇，其與ISSCC、VLSI并稱為集成電路和半導體領域的“奧林匹克盛會”。中國科大國家示范性微電子學院龍世兵教授課題組兩篇關于氧化鎵器件的研究論文（高功率氧化鎵肖特基二極管和氧化鎵光電探測器）成功被大會接收，這也是中國科大首次以第一作者單位在IEEE IEDM上發表論文。

1. 高功率氧化鎵肖特基二極管

如何開發出有效的邊緣終端結構，緩解肖特基電極邊緣電場是目前氧化鎵肖特基二極管研究的熱點。由于氧化鎵P型摻雜目前尚未解決，PN結相關的邊緣終端結構一直是難點。該工作基于氧化鎵異質PN結的前期研究基礎（Weibing Hao, et.al.，in proc. ISPSD, 105，2022），將異質結終端擴展結構（Junction Termination Extension, JTE）成功應用于氧化鎵肖特基二極管。該研究通過合理設計優化JTE區域的電荷濃度，確保不影響二極管正向特性的同時最大化削弱肖特基邊緣電場，從而有效提高器件的耐壓能力。優化后的器件實現了2.9 mΩ·cm²的低導通電阻和2.1kV的高擊穿電壓，其功率品質因數高達1.52 GW/cm²。此外，利用該優化工藝成功制備并封裝了大面積的氧化鎵肖特基二極管，器件正向偏壓2V下電流密度達到180A/cm²，反向擊穿電壓高達1.3kV。研究成果以“High-Performance Vertical β-Ga₂O₃ Schottky Barrier Diodes Featuring P-NiO JTE with Adjustable Conductivity”為題發表在IEDM 2022上，且獲選為Top Ranked Student Paper。論文第一作者為我校微電子學院博士生郝偉兵，微電子學院龍世兵教授和徐光偉特任副研究員為論文共同通訊作者。

圖1 結終端擴展氧化鎵肖特基二極管。（a）器件結構示意圖。（b）具有不同JTE區域電荷濃度的器件擊穿特性比較。（c）封裝器件反向恢復特性測試電路。（d）與已報道的氧化鎵肖特基二極管的性能比較。

2. 氧化鎵光電探測器

光電探測器在目標跟蹤、環境監測、光通信、深空探索等諸多領域發揮著越來越重要的作用。響應度和響應速度是光電探測器的兩個關鍵的性能參數，然而這兩個指標之間存在著制約關系，此消彼長。由于缺乏成熟的材料缺陷控制技術，該問題在以氧化鎵材料為代表的超寬禁帶半導體探測器中尤為突出。龍世兵教授團隊通過引入額外的輔助光源實現對向光柵（OPG）調控方案（圖2a），來緩解上述制約關系。該OPG方案下的Ga₂O₃/WSe₂結型場效應晶體管探測器在目標光（深紫外）照射下表現出負向光柵效應（NPG），器件的閾值電壓往負向移動（圖2b）；與之相反，輔助光源（可見光）照射使器件表現出正向光柵效應（PPG），器件的閾值電壓往正向移動；在目標光及輔助光同時照射下，器件整合了正、負對向光柵效應，但總體表現為閾值電壓朝負向移動。OPG方案有效抑制器件內嚴重的持續光電導效應，器件的響應速度明顯提升（圖2c）。此外，如圖（2d）所示，OPG調控方案中引入的輔助性可見光對器件的光/暗電流比和響應度等關鍵指標幾乎不產生影響。最終，當OPG方案中的可見光常開，在僅犧牲10.4 %的響應度的情況下即實現了>1200倍響應速度的提升，成功削弱了響應度和響應速度之間的制約關系。特別地，當通過反饋電路控制輔助光源僅在器件響應的下降沿觸發，將在無響應度犧牲的情況下實現響應速度的數量級提升。該工作提出了一種光電探測器芯片內千萬像素共享一顆輔助LED即可緩解響應度與響應速度之間的制約關系的策略，對光電探測芯片綜合性能的提升有重要的參考意義。研究成果以“Alleviating the Responsivity-Speed Dilemma of Photodetectors via Opposite Photogating Engineering with an Auxiliary Light Source beyond the Chip”為題發表在IEDM 2022上。我校微電子學院龍世兵教授和趙曉龍特任副研究員為論文的共同通訊作者，微電子學院博士生鄒燕妮為論文第一作者，碩士生曾妍和博士生譚鵬舉為論文的共同第一作者。

圖2 對向光柵（OPG）光電探測器概念及基本特性。

上述兩項研究得到了國家自然科學基金、中國科學院和科技委等的資助，也得到了中國科大微納研究與制造中心、中國科大信息科學實驗中心、富芯微電子公司等在器件制備、仿真模擬及封裝方面的支持。