科技成果 | 南京邮电大学科研团队成功研制基于共聚物有机半导体的千伏级功率器件

功率器件是一种具有处理高电压，大电流能力的半导体芯片，主要用于变频、变压、变流、功率管理等功率处理。特别是近年来随着5G通信、新能源、轨道交通、智能电网等技术的发展，对高性能功率器件的需求进一步增加。传统的功率器件基于硅半导体材料，其性能开发已经接近极限。目前，以氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）为代表的第三代宽禁带半导体功率器件正在快速进入产业化。但基于无机半导体材料的功率器件制备技术难度大，工艺装置要求特殊，技术标准高，集成难度大，使得功率器件芯片的成本居高不下。

以有机半导体材料为代表的柔性电子技术，因其可拉伸、可弯折、工艺简单、成本低廉等独特优势，成为后摩尔时代集成电路的候选技术之一，近年来得到了广泛的研究，国内外学者已经成功研制基于有机半导体的显示芯片、传感芯片、存储芯片和CPU芯片。但是作为一类重要的半导体芯片——功率器件，目前尚没有基于有机半导体的解决方案，从而限制了全柔性电子系统的实现。

针对以上问题，南京邮电大学的郭宇锋教授团队，在国家自然科学基金等项目的支持下，基于有机半导体材料DPPT-TT和有机介质材料PMMA，采用常温旋涂工艺，首次在有机半导体材料上成功研制了一种kV级横向有机场效应功率器件，不但制备工艺简单、成本低廉，而且突破了横向功率器件横向耐压能力，展现出优异的功率特性。

众所周知，尽管宽禁带半导体有非常高的临界击穿电场，但是在横向功率器件中，较薄的漂移区会导致横向电场分布严重不均匀，从而大幅度制约了器件的横向耐压能力。目前报道的横向功率器件的横向耐压能力均较低，氮化镓不超过0.6MV/cm，碳化硅不超过1.0MV/cm，硅更是不到0.3MV/cm。本器件在19.8μm的漂移区长度上实现了2.2kV 的关态击穿电压，且仍保持良好的工作特性，其横向耐压能力超过1.1MV/cm，是目前所见报道的不采用额外结终端技术的最高横向耐压水平，其50nm的有源层厚度也是目前所见的最薄的kV级横向功率器件。此外，该团队对该器件的耐压机理进行了探究，首次在有机半导体器件中观测到了类雪崩击穿行为，其击穿过程的可重复性和击穿电压的正温度系数特性，初步证实了有机半导体的电学击穿是一种类雪崩击穿。

该成果以“一个2.2千伏有机半导体基横向功率器件”（A 2.2kVOrganic Semiconductor-based Lateral Power Device）为题发表在微电子器件领域顶级期刊《IEEE Electron Device Letters》2022年第43卷第2期上，并获主编特别推荐且遴选为封面文章。南京邮电大学大学青年教师、校长专聘教授张珺博士为第一作者，郭宇锋教授为通讯作者，南京邮电大学集成电路科学与工程学院为第一完成单位和唯一通信单位。

该成果为全柔性有机功率集成电路和全柔性电子系统的发展与应用开辟了新思路。