日本 Novel Crystal 突破10kV障碍

📰 科技前沿：日本 Novel Crystal 成功研制首款突破 10 kV 障碍的垂直结构氧化镓晶体管

【深圳，2025年12月27日】—— 总部位于日本的晶体生长企业Novel Crystal宣布，其工程团队已成功研制出全球首款耐压超过10 kV（10,000伏特）的垂直结构氧化镓（β-Ga₂O₃）晶体管。这一成果标志着宽禁带半导体技术在高压电力电子应用领域迈出了关键一步。

🔬 核心技术：HVPE 与晶面转换

该团队采用氯化物气相外延法（HVPE）进行器件外延层的生长。据研究人员介绍，实现这一突破性成果的关键在于生长晶面的切换——从传统的 (001) 面转向(011) 面。

这一工艺转变有效抑制了氯元素的掺入，使得团队能够生长出厚度超过50 µm、施主浓度低于5 × 10¹⁵ cm⁻³的高质量外延层，为实现超高压阻断能力奠定了材料基础。

⚙️ 器件制造工艺详解

Novel Crystal 的多鳍式（Multi-fin）β-Ga₂O₃ 场效应晶体管（FET）制造流程如下：

1. 外延生长：在重掺杂的 n 型 (011) Ga₂O₃ 衬底上，沉积了一层厚度为85 µm的轻掺杂 n 型 Ga₂O₃ 层。电容-掺杂测量显示，该外延层的掺杂浓度为1.8 × 10¹⁵ cm⁻³。
2. 离子注入与退火：通过硅离子注入和热扩散（退火），在薄膜顶部形成了深度为 650 nm 的重掺杂 n 型层（掺杂浓度约 1 × 10¹⁶ cm⁻³ 至 8 × 10¹⁸ cm⁻³）。随后的硅离子注入及在氮气环境下 900°C、1 分钟的活化退火，创建了深度为 200 nm、硅浓度约为 6 × 10¹⁹ cm⁻³ 的源极接触层。
3. 精细结构成型：采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）生长 SiO₂ 层，并通过电子束沉积和光刻技术定义铬掩膜。利用干法刻蚀形成近乎垂直的侧壁形貌，定义出鳍式沟道。经过 15 分钟的氢氟酸（HF）处理，去除了 SiO₂/铬掩膜及等离子体损伤层。
4. 电极制备：通过 PECVD 和原子层沉积（ALD）生长 SiO₂ 层，定义铬掩膜并再次干法刻蚀，最终在鳍顶制备了 Ti/Au 源极电极，并在衬底背面制备了 Ti/Au 栅极电极。

📊 器件结构与性能参数

该多鳍式晶体管的具体结构参数如下：

• 鳍宽：0.5 µm
• 鳍间距：5 µm
• 鳍长：70 µm
• 布局设计：器件布局包含 14 根内鳍和 4 根外鳍。其中，14 根内鳍中有 10 根覆盖了源极电极，作为多鳍 FET 的有源层工作，确保了所有鳍在源极电极下表现出一致的 FET 特性。

为了防止干法刻蚀过程中因微负载效应导致的鳍边缘形变而引起栅源极短路，工程师特意将源极电极向内回退了几微米。

⚡ 电学性能表现

在活性区域为 45 µm × 70 µm 的配置下，该器件展现出了卓越的电学性能：

• 超高耐压：在使用氟化液（Fluorinert）防止空气早期击穿的条件下，器件的阻断电压超过了10 kV（测试设备的上限），据此估算沟道中心的电场强度达到了2.55 MV cm⁻¹。
• 导通特性：在栅极电压为 3 V 时，最大漏极电流密度达到15.1 kA cm⁻²，比导通电阻为289 mΩ cm²。
• 开关特性：器件表现出常关（Normally-off）特性，阈值电压为 0.68 V。漏极电流开关比超过10⁷，亚阈值摆幅约为77 mV dec⁻¹。

🚀 未来展望

Novel Crystal 团队发言人Daiki Wakimoto向《化合物半导体》杂志透露，团队目前正致力于实现超过碳化硅（SiC）的功率优值（Figure-of-Merit）。后续的研究重点将放在引入边缘终端结构上，计划结合镁（Mg）保护环和异质 p 型材料，以进一步提升器件的性能和可靠性。

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