【会员论文】日本NCT：具有5.2 MV/cm改进电场的1844 V β-Ga₂O₃沟槽MOS肖特基二极管

        由日本 Novel Crystal Technology 的研究团队在本次 ISPSD 2025 学术会议上发表了一篇名为 1844 V β-Ga₂O₃ Trench-MOS Schottky Barrier Diodes with Improved Electric Field of 5.2 MV/cm（具有 5.2 MV/cm 改进电场的 1844 V β-Ga₂O₃ 沟槽 MOS 肖特基二极管）的文章。

        β-氧化镓（β-Ga₂O₃）作为一种极具前景的超宽禁带半导体，是开发下一代高压、高效功率器件的理想材料。垂直结构的功率二极管是功率系统中的基本元件。其中，沟槽 MOS 肖特基势垒二极管是一种先进的器件结构。它将肖特基二极管与沟槽 MOS 电容结构相结合，旨在利用沟槽 MOS 的场屏蔽效应来降低器件在反向偏压下的漏电流，并提高击穿电压。对于功率器件而言，一个核心目标是最大化器件所能承受的电场强度，使其尽可能接近材料的理论击穿场强极限。这需要精密的器件设计，特别是有效的终端技术和电场管理结构。实现安培级的大电流处理能力以及在更大尺寸晶圆上的制造，是推动 Ga₂O₃ 器件从实验室研究走向商业化应用的关键。

        研究团队采用 4-inch 晶圆工艺开发了安培级 β-Ga₂O₃ 沟槽金属氧化物半导体肖特基势垒二极管（MOSSBD）。该器件采用镁离子注入边缘终止结构，并通过缩小沟槽间距宽度来改善反向特性，如漏电流和击穿电压。根据脉冲 I-V 特性计算，制备的 MOSSBD 在最大电流为 2 A 时的典型特定导通电阻和导通电压分别为 4.2 mΩ·cm² 和 1.0 V。当台面宽度为 1.2 μm、沟槽宽度为 0.8 μm 时，最大击穿电压为 −1844 V，对应的电场强度和功率器件性能指标分别为 5.2 MV/cm 和 0.71 GW/cm²。这些结果是迄今为止报道的 β-Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管中最高的值。通过实现 5.2 MV/cm 的最大电场，克服了超越碳化硅功率器件性能的最困难挑战之一，极大地提高了 β-Ga₂O₃ 功率器件在实际应用中的前景。

        •基于 4-inch 晶圆工艺制造的器件，显示出向规模化生产迈进的潜力。

        •垂直沟槽 MOS 肖特基势垒二极管。该结构在 Ga₂O₃ 漂移层中刻蚀出沟槽，沟槽的侧壁和底部由栅极氧化物和金属构成 MOS 结构，而台面顶部形成肖特基接触。

        •采用镁（Mg）离子注入技术形成边缘终端保护结构。

        •对沟槽的尺寸进行了优化，最佳性能的器件其台面宽度为 1.2 µm，沟槽宽度为 0.8 µm。

        •首次使用 4 英寸晶圆工艺成功制造出安培级的 β-Ga₂O₃ 沟槽 MOSSBDs，展示了该技术的可扩展性。

        •在 β-Ga₂O₃ 二极管中实现了创纪录的 1844 V 击穿电压和接近材料极限的 5.2 MV/cm 电场强度。

        •有效地将 Mg 离子注入边缘终端和减小微米级沟槽间距两种关键设计策略相结合，协同提升了器件的击穿电压和内部电场强度。

        •获得了 0.71 GW/cm² 的卓越功率优值，使 β-Ga₂O₃ 二极管的性能处于功率半导体领域的前沿。

        采用 4-inch 晶圆工艺开发了安培级 β-Ga₂O₃ 沟槽 MOSSBD 器件。该器件采用 Mg 离子注入边缘终止结构，并通过缩小沟槽间距宽度来改善反向特性，如漏电流和反向电压（VBR）。根据脉冲 I-V 特性（最大电流为 2 A）计算得到的制备 MOSSBD 的典型 R_on,sp 和 VON 值分别为 4.2 mΩ·cm² 和 1.0 V。在台面宽度为 1.2 μm、沟槽宽度为 0.8 μm 时，获得的最大 VBR 为 −1844 V，对应的 Emax 和 PFOM 分别为 5.2 MV/cm 和 0.71 GW/cm²。这些值是迄今为止报道的基于 β-Ga₂O₃ 的 SBD 中最高的。因此证实了离子注入边缘终止和减小沟槽间距宽度可改善 β-Ga₂O₃ MOSSBD 的反向特性。通过实现 5.2 MV/cm 的最大电场，克服了超越 SiC 功率器件性能的最困难挑战之一；目前仅剩的难题是降低 β-Ga₂O₃ MOSSBD 的寄生导通电阻。这一进展极大提升了 β-Ga₂O₃ 功率器件实际应用的前景。研究人员相信，性能与 SiC 器件相当或超越其性能的 β-Ga₂O₃ 功率器件将在不久的将来实现。

图1 沟槽型MOSSBD的示意性截面图。

图2 沟槽型β-Ga₂O₃ MOSSBDs的制备过程。