西电郝跃院士、马晓华教授团队---3kV 全垂直 β-Ga₂O₃ 肖特基二极管研究

近期，由西安电子科技大学的研究团队在学术期刊 Applied Physics Letters 发布了一篇名为 3 kV fully vertical β-Ga₂O₃ junction termination extension Schottky barrier diode with sputtered p-GaN（3 kV 全垂直 β-Ga₂O₃ 结终端扩展肖特基势垒二极管与溅射 p-GaN）的文章。

1. 项目支持

该项研究得到了国家自然科学基金（Grant No. 62474135、62104184、62234009、62090014 和 62404165）、中国博士后创新人才支持计划（Grant No. BX20200262）、中国博士后科学基金（Grant No. 2021M692499 和 2023M732730）、中国博士后科学基金特别资助项目（Grant No. GZB20230557）以及陕西省自然科学基础研究计划（Grant No. 2024JC-YBQN-0611）的支持。

2. 主要内容

研究团队制备了一种全垂直 p-GaN/n-Ga₂O₃ JTE-SBD，并系统研究其电学性能。实验结果表明，该器件在 0.8V 的导通电压（V_on）下，具有 6.15 mΩ·cm² 的特定导通电阻（R_on,_sp），3 kV 的击穿电压（BV），以及 1.46 GW/cm² 的巴利加优值。此外，I-V-T 测试表明，该器件的反向泄漏电流机制在不同偏压下由 Poole–Frenkel 效应（PF）向可变范围跳跃导电机制（VRH）过渡，揭示了 p-GaN 层对电场调控的作用。

3. 实验细节

(1)   结构与制备工艺

采用 EFG 法生长 650 μm 厚 n⁺-Ga₂O₃（ND：4.5×10¹⁸ cm^-3）；

采用 HVPE 法制备 10 μm 厚 n^--Ga₂O₃（ND：2×10¹⁶ cm^-3）。

采用溅射方法沉积 500 nm 厚的 p-GaN，溅射功率 200W。

在 N₂ 气氛中进行 750°C 退火 10 分钟，以激活 Mg 掺杂。

选择性蚀刻 p-GaN 以暴露肖特基接触区域。

阳极溅射 Ni/Au（45/400 nm）。

阴极溅射 Ti/Al/Ni/Au（20/160/55/45 nm）。

(2)测试与分析

在 1 MHz 频率下测量电容-电压（C-V）特性，并通过 1/C²-V 曲线提取内建电势（V_bi,0）。

计算得到 JTE-SBD 的肖特基势垒高度（qΦ_b）为 1.113 eV，相比参考 SBD（Ref-SBD）的 1.011 eV 略高。

导通电压 V_on = 0.8V，开/关电流比（I_on/I_off）> 10⁸。

由于阳极边缘 p-n 结的屏蔽效应，R_on,sp 从 5.51 mΩ·cm² 上升至 6.15 mΩ·cm²。

使用 Silvaco 仿真，发现 JTE 结构使肖特基接触边缘的峰值电场从 8 MV/cm 降低至 6 MV/cm，有效抑制了局部击穿。

在 50°C 至 250°C 之间测量 I-V 特性，发现 R_on,sp 随温度上升线性增加，每升高 1°C，R_on,sp 增加 0.032 mΩ·cm²。

4. 总结

研究团队提出采用溅射 p-GaN 制备全垂直 p-GaN/n-Ga₂O₃ JTE-SBD。该 JTE-SBD 实现了 3 kV 的 BV 和 1.46 GW/cm² 的 BFOM。进行了 I-V-T 测试以分析 JTE-SBD 的漏电流传输机制。结果表明，在 -1 至 -20 V 范围内，势垒热发射（PF）是主要机制，发射势垒 qφ_t 为 0.74 eV。在 20 至 200 V 范围内，声子辅助隧穿（VRH）成为主要机制。

5. 实验图示

图 1. (a) p-GaN/n-Ga₂O₃ JTE-SBD 的结构示意图和制造工艺图。(b) 以 52° 的倾斜角和 2700 倍的放大率拍摄的 JTE-SBD 扫描电镜图像。(c) 对蓝宝石衬底上溅射的 p-GaN 中镁元素分布的 SIMS 分析。(d) 5 nm 尺度的溅射 p-GaN HRTEM 分析。(e) 对溅射 p-GaN 的 SAED 测试。

图 2. (a) p-GaN/n-Ga₂O₃ JTE-SBD 的 C-V 和 (b) 1/C²-V 特性。(c) 从 C-V 测量中提取的 n^--Ga₂O₃ 漂移层 N_D-N_A。

DOI：

doi.org/10.1063/5.0243637

本文转发自《亚洲氧化镓联盟》订阅号