日本东京大学＆NCT---基于热电子发射-扩散模型分析精确确定的Ni/β-Ga₂O₃ SBD势垒高度的温度依赖性

由日本东京大学与NCT的研究团队在学术期刊 Applied Physics Express 发布了一篇名为 Temperature dependence of barrier height in Ni/β-Ga₂O₃ Schottky barrier diode precisely determined by the analysis based on thermionic emission-diffusion model（基于热电子发射-扩散模型分析精确确定的 Ni/β-Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管势垒高度的温度依赖性）的文章。

1. 背景

β-氧化镓（β-Ga₂O₃）作为下一代功率器件应用的关键材料之一，其中肖特基势垒二极管（SBD）是其最基本的器件之一。肖特基势垒高度（SBH）是决定 SBD 性能最关键参数之一。传统的分析方法通常仅使用纯热电子发射（TE）模型来从电流-电压（I-V）曲线中提取 SBH。然而，对于像 Ga₂O₃ 这样具有相对较低电子迁移率的宽禁带半导体，载流子在耗尽区的输运过程实际上是热电子发射和漂移-扩散过程的结合。仅使用 TE 模型会导致提取出的 SBH 出现显著的温度依赖性，并可能得到不符合物理实际的理查德森常数，这使得参数的准确性存疑。因此，需要一种更精确的物理模型来准确描述其电流输运机制并提取真实的势垒高度。

2. 主要内容

在 303 至 573 K 的温度范围内，对 Ni/β-Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管的势垒高度随温度的变化进行了研究。通过电容-电压（C-V）测量得到的势垒高度随温度升高略有下降，温度系数为 -0.51 毫电子伏/开尔文。由于β-氧化镓中的电子迁移率不高，因此采用热电子发射 - 扩散（TED）模型对电流 - 电压（I-V）测量结果进行分析。从 C-V 和 I-V 测量中得到的温度系数一致，为 -0.49 ± 0.02 毫电子伏/开尔文，这表明镍/β-氧化镓势垒高度的温度依赖性源于带隙的收缩（导带最小值的降低）。

3. 创新点

● 首次系统地将热电子发射-扩散（TED）模型应用于分析 β-Ga₂O₃ SBD 的电流输运机制，并指出这是比传统 TE 模型更精确、更符合物理实际的模型。

● 提出并验证了一种能够精确提取真实肖特基势垒高度的新方法，该方法消除了由传统分析方法引入的虚假的温度依赖性。

● 通过模型分析，清晰地区分了热电子发射和扩散过程对 Ga₂O₃ SBD 总电流的贡献，加深了对其电流输运物理机理的理解。

4. 总结

本研究在 303 K ~ 573 K 的温度范围内对 Ni/β-Ga₂O₃ 结型二极管（SBD）的 I–V 和 C–V 特性进行了研究。由于 β-Ga₂O₃ 中的电子迁移率不高，因此有效扩散速度与电子热速度相差不大。因此，为了获得精确的势垒高度，即使在室温下，也应使用 TED 模型来分析正向 I–V 特性。基于 TED 模型分析获得的势垒高度与 C–V 测量结果显示出良好的一致性。通过 C–V 和 I–V 测量获得的势垒高度温度系数（−0.49 ± 0.02 meV/K）一致。这种温度依赖性源于带隙的缩小（导带最低点的降低）随温度升高而发生。这些结果对设计和理解基于肖特基结的 β-Ga₂O₃ 器件具有重要意义。