【会员论文】Cell子刊 │ 哈工大深圳孙华锐团队解开了肖特基界面势垒迷雾：多模热成像校准电压和温度依赖的肖特基势垒高度及非均匀性

        由哈尔滨工业大学（深圳）的研究团队在Cell子刊（细胞报告物理科学）Cell Reports Physical Science 发布了一篇名为 Multi-modal thermography-calibrated barrier in vertical β-Ga₂O₃ Schottky barrier diodes（垂直型氧化镓肖特基二极管中多模热成像校准势垒）的文章。谢银飞博士为论文的第一作者，孙华锐教授为论文的通讯作者。

        β-Ga₂O₃ 由于其超高临界电场（8 MV/cm）、优异的 Baliga 评价因子（BFOM = 3444，相比硅）以及低成本晶体生长兼容性，被认为是下一代高功率电子器件的关键材料。其垂直结构的肖特基势垒二极管（SBD）在高压、高温和高能效功率转换系统中具有广阔应用前景。然而，要充分发挥 β-Ga₂O₃ 的性能，需要解决肖特基势垒工程中的关键问题，尤其是电压和温度依赖的肖特基势垒高度（SBH）行为及其空间不均匀性（σ），这直接影响器件的电流传输机制和可靠性。现有研究虽然在热管理（如纳米孔基底或异质结构）和电性能优化（如表面钝化与掺杂）方面取得进展，但对具有非均匀肖特基势垒器件的微观电流传输机制仍缺乏清晰理解。传统的 SBH 测量方法（单温度或低频测量）通常忽略电压-温度耦合效应，而势垒不均匀性（由缺陷、界面粗糙度或成分差异引起）会导致电流集中、局部发热和器件早期失效。此外，静态 I-V 测量和单模热成像等传统表征方法缺乏捕捉电压-温度瞬态变化的时间分辨率，以及解析纳米/微米尺度温度梯度的空间分辨率，限制了对动态 SBH 演化机制的理解。

        针对这一重要问题，哈尔滨工业大学（深圳）孙华锐教授团队联合中国电子科技集团公司第十三研究所、江南大学等单位，创新性地融合高分辨率三维拉曼热成像、红外热成像、热反射成像、变温电学测试（J-V-T/C-V-T）与物理建模，构建了一个闭环校准的“电-热-势垒”协同分析框架。研究发现：温度升高不仅提升平均势垒高度，还加剧势垒非均匀性；而施加偏压则具有“均化”效应，可有效抑制势垒涨落。这一现象揭示了热反馈对载流子输运路径的动态调控机制，阐明了 β-Ga₂O₃ 器件在高功率工作时电流-电压特性非单调变化的根源。更重要的是，团队基于实验数据校准的物理模型，成功嵌入 TCAD 仿真平台，实现了对器件 J-V 特性优于传统模型的高精度预测。结果表明，忽略焦耳加热的传统模型会低估 SBH 高达 10.6%。通过热补偿，表观 SBH 上升且 σ 增大，与 TCAD 仿真趋势一致。将实时电热反馈纳入的改进势垒模型将电流密度预测误差从原模型的 18.4% 降低至 1.2%，提高幅度达 93.5%。该工作不仅解开了 β-Ga₂O₃ 肖特基界面‘势垒迷雾’，更建立了一套通用的电热协同设计方法论，标志着从“黑箱经验拟合”迈向“白箱机理驱动”的跨越，可推广至其他宽禁带半导体器件，加速其从实验室走向产业化。

        1、方法创新：创新性地融合多模态热成像校准技术，实现了对肖特基势垒高度非均匀性在电压-温度耦合作用下的动态解析。 

        2、机理突破：揭示了“温度升高加剧势垒不均、偏压增强均化效应”的动态规律，解决了传统模型预测精度低的难题。 

        3、应用价值：基于实验数据校准的物理模型将电流预测误差降至仅1.2%，为高功率电子器件的热管理和可靠性设计提供了新范式。

        通过多模态热成像校准框架，揭示了温度诱导的肖特基势垒增加和不均匀性加剧，而电压则缓解了这两者。修改后的势垒模型显著提高了电流密度预测的准确性，为精确量化不均匀势垒和合理设计势垒工程接触提供了新的见解。该研究为 β-Ga₂O₃  SBDs 在高功率应用中的可靠性提升奠定了基础。

        本研究得到了广东省重点领域研发计划项目（2021TQ06C953）、深圳市科技计划项目（JCYJ20250604145537048）和集成电路材料全国重点实验室开放课题（SKLIC-K2024-04）的支持。

图形摘要

图 1 多模式热成像标定势垒分析框架。

图 2 反向偏压 C-V 特性。(A) 制备的垂直 β-Ga₂O₃ SBD 在 25 °C–150 °C 温度范围内的 1/C²-V 特性曲线。(B) 从 C-V-T 特性中提取的内建电势 (qV_bi)、肖特基势垒高度 (qΦ_B,CV)) 和净施主浓度 (N_D) 随温度 T 的变化。

图 3 正向偏压 J-V 特性。(A) 25 °C–150 °C 下的半对数图，插图显示线性图。(B) 等效电路。

图 4 从正向偏压 J-V 特性提取的势垒参数。(A) 从正向 J-V-T 特性中提取的肖特基势垒高度 (qΦ_B)、内建电势 (qV_bi) 和理想因子 (n) 随温度 T 的变化。(B) β-Ga₂O₃ SBD 的 qΦ_B 对 q/2k_B 的图。(C) ln(J_s/T²) – q²σ₀²/(2k_B²T²)对 1,000/T 的 Richardson 图。

图 5 反向偏压 J-V 特性。(A) 制备的垂直 β-Ga₂O₃ SBD 的温度依赖反向 J-V 特性；红色虚线为热电子场发射 (TFE) 模型拟合。(B) TFE、变域跳跃 (VRH) 与陷阱辅助空间电荷限制导电 (SCLC) 机制示意图。实线蓝色表示 TFE 与 VRH 串联，虚线蓝色表示 25 °C–150 °C 下的 TFE 至导带。

图 6 电压与温度依赖的势垒参数。(A) β-Ga₂O₃ SBD 在不同温度下测得的零偏置表观势垒高度 (Φ_B,0) 与理想因子 (n) 的关系。(B) (1/n_ap−1) (蓝色三角) 与Φ_ap (红色方块) 对 1,000/T 曲线。(C) (Φ_B,CV − Φ_ap)对 1,000/T 图。

图 7 不同条件下的肖特基势垒分布。(A) T = T₁, V = 0, ⟨Φ_B⟩ = ⟨Φ_B1⟩, σ = σ₁。(B) T = T₂ = T₁, V > 0, ⟨Φ_B⟩ = ⟨Φ_B2⟩ < ⟨Φ_B1⟩, σ = σ₂ < σ₁。(C) T = T₃ > T₁, V = 0, ⟨Φ_B⟩ = ⟨Φ_B3⟩ > ⟨Φ_B1⟩, σ = σ₃ > σ₁。T 为温度，V 为正向偏压，⟨Φ_B⟩ 与 σ 分别为势垒高度均值与标准差。(D) 热平衡下 MS 肖特基界面能带图。

图 8 不同深度平面的 3D 拉曼热成像映射。(A) 垂直β-Ga₂O₃ SBD 的 400 × 400 μm² 区域。(B) 加热台固定温度 50 °C 时 1 A。(C) 加热台固定温度 50 °C 时 1.5 A。(D) 加热台固定温度 50 °C 时 2 A。

图 9 不同正向电流下的多模式热成像。在固定加热台温度 50 °C 下的温度分析对比，包括芯片平均温度 (¯T_chip)、金属电极温度 (T_metal)、β-Ga₂O₃ 外表面温度 (T_{Ga2O3, surface}) 及器件峰值温度 (T_peak)，由不同热成像技术测得。

图 10 原始与修正模型的势垒参数对比。(A) 50 °C 基准温度下正向电流从 1 A 变化到 2 A。(B) 固定 2 A 正向电流，基准温度从 25 °C 变化到 150 °C。(C) 未进行温度修正的非均匀肖特基势垒 3D 分布。(D) 根据实测温度修正后的非均匀肖特基势垒 3D 分布。

图 11 温度补偿前后正向偏压电流密度预测。在 50 °C 基准温度下，不同正向偏压条件下实验测得的电流密度与基于原始与修正Φ_ap 计算值对比。误差棒表示由势垒不均匀性引起的电流预测不确定性。

图 12 垂直β-Ga₂O₃ SBD 的制备。(A) 器件制备主要步骤示意图。(B) 横截面结构示意图。(C) 整体封装器件光学图像。

文章信息：

Yinfei Xie, Aihua Wu, Yuwei Zhai, Yang He, Yan Liu, Hao Li, Weiye Liu, Dawei Yan, and Huarui Sun. Multi-modal Thermography-Calibrated Barrier in Vertical β-Ga₂O₃ Schottky Barrier Diodes. Cell Reports Physical Science, 2025, 6(12): 103016.

DOI：https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2025.103016