【会员论文】复旦大学---通过O₂等离子体和退火实现了超过 1.2GW/cm² β-Ga₂O₃ SBD，击穿电压为 1.93kV

        由复旦大学的研究团队在学术期刊 Semiconductor Science and Technology 发布了一篇名为 Over 1.2 GW/cm² β-Ga₂O₃ SBD with V_br of 1.93 kV realized by O₂ plasma and annealing（通过 O₂ 等离子体和退火实现了超过 1.2GW/cm² β-Ga₂O₃ SBD，V_br 为 1.93kV）的文章。

        该项研究得到了上海市科学技术委员会资助 （Grant 23511102300 和 24DP1500105）。

        β-氧化镓（β-Ga₂O₃）因其超宽带隙、高击穿场强、可接受的电子迁移率以及可低成本大规模生产的潜力，被认为是下一代功率半导体器件的有力竞争者。然而，在实际器件设计中，实现低开启电压（V_on）、低导通电阻（R_on,sp）和高击穿电压（V_br）三者的同时优化一直面临难以协调的物理瓶颈，这通常与界面质量受损或缺陷产生有关。

        在这项研究中，通过应用 O₂ 等离子体和退火处理（OPAT），β-Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管（SBD）的电性能得到了显著提升。与对照器件相比，OPAT 处理后的 β-Ga₂O₃ SBD 在开启电压（V_on）、比导通电阻（R_on，sp）和击穿电压（V_br）方面表现更优。此外，通过采用电子束蒸发的 Al₂O₃ 作为场板氧化物，表面击穿电场从 2.19 MV/cm 提升至 4.09 MV/cm，这是通过 TCAD 模拟得出的结果。OPAT 场板 β-Ga₂O₃ SBD 在 1 A/cm² 的电流密度下实现了 0.52 V 的开启电压（V_on）、3.10 mΩ·cm² 的比导通电阻（R_on，sp）和 1.93 kV 的击穿电压（V_br）。其功率优值达到了 1.2 GW/cm²。X 射线光电子能谱测量表明，OPAT 处理降低了氧空位的浓度，从而降低了器件的肖特基势垒高度，进而提升了 β-Ga₂O₃ SBD 的性能。这些结果表明，β-Ga₂O₃ 在低开启电压和高击穿电压的应用中具有巨大的潜力。

        提出 OPAT 策略，将低功率 O₂ 等离子体（50 W，40 s）与空气退火联合使用，同步优化界面与体内缺陷。

        实验首次实证 OPAT 能显著降低 Schottky 势垒高度（SBH），并减小氧空位比例（由 XPS 证实）。

        结合电子束蒸发形成 FP 结构，通过 lift-off 工艺避免传统刻蚀带来的损伤，提高可靠性。

        TCAD 模拟显示该方法可使表面最大电场由 2.19 MV/cm 提升至 4.09 MV/cm，有效分散电场分布，抑制击穿。

        与已有文献对比，在不牺牲 R_on,sp 和 V_on 的前提下，实现接近 2 kV 的超高 V_br，刷新 β-Ga₂O₃ SBD性能记录。

        研究团队在 OPT 和 OPAT 对 β-Ga₂O₃ SBD 性能的影响进行了研究。XPS 测量表明，OPAT 会显著降低 V_O 的相对百分比。TCAD 模拟表明，OPAT FP 样品的表面电场几乎是对照样品的两倍。OPAT FP 器件的 V_on 值为 0.52 V，R_on,sp 值为 3.10 mΩ·cm²，V_br 值为 1.93 kV。在达到 1.2 GW/cm² PFOM 的同时，它还保持了较低的 V_on。这些结果表明，利用 EBE 制造的 OPAT 和 FP 结构在提高功率电子器件中 β-Ga₂O₃ SBD 的性能方面大有可为。

图 1：(a) OPAT FP β-Ga₂O₃ SBD 的示意图和 (b) 制作过程。用原子力显微镜测量的 (c) 对照样品、(d) OPT 样品和 (e) OPAT 样品的表面形貌。

图 2：（a）反向特性（b）对照、OPT、OPAT 和 OPAT FP β-Ga₂O₃ SBD 的统计图。(c) R_on,sp vs V_br (d) V_on vs PFOM 的基准图，适用于最先进的 β-Ga₂O₃ SBD。

DOI：

doi.org/10.1088/1361-6641/adcd24