【会员论文】厦大杨伟锋教授团队：通过原子氮处理增加Al₂O₃/Ga₂O₃界面的固定电荷，实现高性能Ga₂O₃沟槽肖特基势垒二极管

        该项研究得到国家自然科学基金（Grant No. 62171396）和深圳市科技计划（Grant No. JCYJ20240813145617023）的资助。

        β-氧化镓（β-Ga₂O₃）因其宽禁带（4.5-4.9 eV）和高理论击穿场强（~8 MV/cm）等优势，在功率电子器件领域备受关注，且具有低成本熔融生长大尺寸衬底的潜力。传统的平面肖特基势垒二极管（SBD）在反向偏压下，阳极边缘易出现电场拥挤，导致器件过早击穿和漏电流增大。沟槽型肖特基势垒二极管（TSBD）结构通过将肖特基接触嵌入沟槽中，能够有效缓解边缘电场拥挤，提高击穿电压。尽管 β-Ga₂O₃ TSBD 已取得显著进展（如实现 kV 级击穿电压），但沟槽界面处（尤其是在刻蚀过程中引入的）缺陷和氧空位（V_o）仍然是限制器件性能的关键挑战。通过界面工程（如缺陷钝化、调控界面电荷）来改善沟槽界面质量，对提升 Ga₂O₃ 功率器件的性能至关重要。

        通过在 Al₂O₃/β-Ga₂O₃ 界面进行原子氮处理，显著提升了垂直结构 β-Ga₂O₃ 金属–绝缘体–半导体（MIS）沟槽型肖特基势垒二极管（TSBDs）的击穿电压。经处理的 TSBD 器件的击穿电压从 832 V 提升至 1200 V，同时保持低导通电压（0.9 V）与低比导通电阻（12.1  mΩ cm²）。根据 X 射线光电子能谱（XPS）分析，原子氮处理减少了 β-Ga₂O₃ 表面的氧空位，并促进了 Al₂O₃/Ga₂O₃ 界面 Ga–O–N 三元化合物的形成。这些 Ga–O–N 化合物可以钝化由感应耦合等离子体（ICP）刻蚀引起的 Ga₂O₃ 沟槽表面缺陷，从而有效降低 Al₂O₃/Ga₂O₃ MIS TSBD的漏电流。与此同时，原子氮处理使采用 Al₂O₃ 介质的 Ga₂O₃ MOS 电容器出现平带电压正向偏移，表明在 Al₂O₃/Ga₂O₃ 界面固定电荷密度（Q₁）增加，这在反向偏置下可扩展耗尽区，增强接触势垒。上述结果表明，原子氮处理能够有效优化沟槽 MIS 结构的界面特性，是提升 Ga₂O₃ 基肖特基势垒二极管性能的有效策略。

        该研究已经证明，对 Ga₂O₃ 沟槽肖特基势垒二极管（TSBD）中的 Al₂O₃/Ga₂O₃ 界面进行原子氮处理，显著提高了器件性能，将击穿电压从 832 V 提高到 1200 V，同时保持了低的开启电压（V_on）和特定导通电阻（R_on，sp）。同时，XPS 光谱证实，该处理减少了氧空位，并促进了界面处 Ga-O-N 化合物的形成，后者钝化了缺陷并降低了漏电流。此外，C-V 测量表明，该处理提高了 Al₂O₃/Ga₂O₃ 界面的固定电荷密度，从而扩大了耗尽区，并进一步增强了接触势垒。TCAD 模拟进一步证实，通过原子氮处理在 Al₂O₃/Ga₂O₃ 界面引入固定负电荷，有效地优化了电场分布，从而增强了器件的击穿能力。这些发现表明，原子氮处理在推进基于 Ga₂O₃ 的沟槽肖特基势垒二极管在高功率电子学中的应用方面是有效的，确立了这一方法作为提升氧化镓器件性能边界的一种有前景的策略。

图 1. (a) 原子氮处理过的 Ga₂O₃ TSBD 横截面示意图。(b) 原子氮源界面处理过程示意图，其中高能电离氮被电场（即等离子体约束板）过滤，氮原子得以到达样品表面并与之相互作用。(c) 在光学显微镜下拍摄的 Ga₂O₃ TSBD 俯视图，红色虚线框表示用于计算电流密度的区域。(d) Ga₂O₃ TSBD 的扫描电子显微镜图像，清晰显示沟槽结构和蚀刻形成的倾斜梯形界面。(e) (d) 中特定区域的高倍扫描电子显微镜图像。

图 2. 原子氮处理过的 Ga₂O₃ TSBD 的制造工艺流程。

DOI：

doi.org/10.1063/5.0254888