论文分享
【会员论文】APL | 深职大&南科大于洪宇教授、汪青教授团队：实现铜阳极和高热可靠性的2.3 kV 氧化镓JBS二极管
日期：2025-12-16阅读：313
由深圳职业技术大学&南方科技大学于洪宇教授、汪青教授团队在学术期刊 Applied Physics Letters 发布了一篇名为 2.3-kV β-Ga2O3 heterojunction barrier Schottky diode with Cu anode and robust thermal reliability（具有Cu阳极和高热可靠性的2.3 kV β-Ga2O3 异质结势垒肖特基二极管）的文章。
背 景
氧化镓（β-Ga2O3）凭借其 4.8 eV 的超宽禁带、高达 8 MV/cm 的临界击穿场强以及大尺寸衬底的可获得性，被视为高压功率电子器件中最具潜力的材料之一。然而，当前 β-Ga2O3 二极管普遍面临导通损耗与击穿电压难以兼得的性能权衡。为突破该瓶颈，异质结势垒肖特基（JBS）结构被提出，以同时利用肖特基二极管的低开启电压与异质结二极管的高击穿特性。与此同时，Mo、TiN 等低功函数金属阳极被引入以进一步降低肖特基势垒高度，从而有效降低开启电压，并在一定程度上维持较高的击穿性能，凸显了阳极工程在器件优化中的关键作用。然而，降低肖特基势垒通常伴随击穿能力下降，且相关器件的长期可靠性与退化机制仍缺乏系统性研究，这在一定程度上限制了其在高压应用领域的进一步推广。
主要内容
β-Ga2O3 功率二极管始终面临正向导通损耗与反向阻断能力难以兼得的核心挑战。为应对这一限制，我们开发了一种基于 Cu2O/β-Ga2O3 的高性能异质结势垒肖特基（JBS）二极管，并引入低功函数铜（Cu）阳极以优化界面势垒工程。该器件同时实现 0.83 V 的低导通电压、2345 V 的高击穿电压以及 1.22 GW/cm² 的功率优值。温度依赖特性测量表明，Pt/Cu2O 结构能够有效提升势垒高度、抑制反向饱和电流，从而显著增强击穿能力。此外，在 425 K、200 V 的反向应力下持续 104 s，器件的动态导通电阻仅增加 1.316 倍，而导通电压仅恶化10.76%，展现出卓越的长期热稳定性和电可靠性。上述结果表明，该策略为 β-Ga2O3 基功率电子器件提供了兼具高性能与高可靠性的可行路径。
创新点
●引入具有低功函数的 Cu 阳极，实现兼具高击穿电压与低导通损耗的 Ga2O3 JBS 二极管，为先进的 Ga2O3 电力电子器件提供了一条有效途径。
●基于Cu2O/Ga2O3 的异质结和结终端扩展结构，极大改善器件边缘场强分布，显著提升器件耐压能力。
●在 425 K 的 200 V 反向应力下持续测试 104 s，验证该器件结构在高温高压工况下具有卓越的热稳定性和长期可靠性。
结 论
本研究提出了一种具有低功函数Cu阳极的Cu2O/Ga2O3 JBS二极管，同时实现了 0.83 V的低 VON 和 2345 V的高 BV。JBS 二极管还显示出低 Ron,sp 为 4.52 mΩ·cm2，高 PFOM 为 1.22 GW/cm2。这种性能源于 Cu 阳极和 Cu2O/Ga2O3 异质结增强反向偏压损耗。在 425 K 的 200 V 反向应力下持续测试104 s，JBS二极管的 Ron,sp,dyn/Ron,sp 增加了1.316倍，VON 恶化了10.76%。随着应力时间的增加，界面陷阱的电离使电流传导路径变宽，导致 Ron,sp 和 VON增加。这些结果为提高高压和高温应用中 Ga2O3 功率器件的性能和可靠性提供了一个有前景的策略。
项目支持
本研究得到了以下项目的支持：国家自然科学基金（项目编号：62274082）；源/漏欧姆接触机理及其相关GaN p-FET研究（项目编号：2023A1515030034）；GaN功率器件可靠性研究（项目编号：JCYJ20220818100605012）；GaN p-FET新型低电阻源/漏欧姆接触研究（项目编号：JCYJ20220530115411025）；面向工业应用的GaN基器件与系统研究（项目编号：6025312001K）。作者还感谢南方科技大学检测中心微纳加工平台提供的技术支持。
图 1. (a)以Cu为阳极的Ga2O3 SBD和JBS二极管的示意图和制备流程。(b) Ga2O3晶圆和沉积在Ga2O3上的Cu2O层的XRD谱图。(c) 100 kHz时1/C2-V测量结果。
图 2. Ga2O3 SBD和JBS二极管(a)在线性尺度和(b)在对数尺度下的正向I-V特性。(c)两个器件的反向I-V特性。(d) SBD和(e) JBS二极管的模拟电场分布和相应的提取电场分布图。(f)已报道的最先进Ga2O3二极管的VON与PFOM的基准图。
DOI：
10.1063/5.0301627
