【国际论文】APL丨英国布里斯托大学：双漂移层结构用于最小化2.7kV β-Ga₂O₃ (001)垂直沟槽肖特基势垒二极管的导通电阻

        由英国布里斯托大学的研究团队在学术期刊 Applied Physics Letters 发布了一篇名为 Double drift layers to minimize on-resistance in 2.7-kV β-Ga₂O₃ (001) vertical trench Schottky barrier diodes（双漂移层结构用于最小化 2.7kV β-Ga₂O₃ (001)垂直沟槽肖特基势垒二极管的导通电阻）的文章。

        超宽带隙（UWBG）氧化镓（β-Ga₂O₃）具有极高的临界电场，使其在千伏级高压功率电子器件中具有巨大的应用前景。垂直 β-Ga₂O₃ 功率器件通常在导电衬底上生长数微米厚的轻掺杂或非故意掺杂（UID）外延漂移层，以在外延层内承担关断状态下的高压。在平面肖特基势垒二极管（SBD）中，电场峰值集中在金属与半导体的接触界面，容易引发热发射驱动的反向漏电流，严重限制了器件的击穿电压。为了解决漏电问题，引入了沟槽式结构（TSBD），利用降低表面电场（RESURF）效应来提升耐压性能。然而，这种改进通常以牺牲特定导通电阻（R_on,sp）为代价，因为沟槽的刻蚀和介电层占据了原本属于肖特基接触的空间，减小了电流流通的有效面积。

        通过采用双漂移层（DDL）肖特基势垒二极管（TSBD）架构，在 β-氧化镓（β-Ga₂O₃）沟槽肖特基势垒二极管中实现了更优的导通电阻（R_on,sp），且无需牺牲击穿电压——该架构在非掺杂漂移区（UID）上方叠加了硅掺杂漂移层。与单 UID 漂移层 TSBD 相比，DDL TSBD 的 R_on,sp 降低 46 %，同时保持 2.6-2.7 kV 的相似 V_br 值。由此，DDL TSBD 设计将巴利加优值从传统 TSBD 的 481 MW/cm² 提升至 959 MW/cm²，实现两倍性能提升。Silvaco TCAD 仿真进一步证实，两种结构在沟槽拐角处均呈现相似的峰值主导电场，与其相近的击穿电压相一致。虽然 TSBD 中缩小 fin 宽度能通过改善表面场效应来提升 V_br，但研究团队证明该效应在 DDL TSBD 中得到显著放大，从而实现了传统 R_on,sp–V_br 轨迹的重大转变。

        ● 该研究首次提出并实现了双漂移层（DDL）TSBD 架构，在原有的 UID 漂移层顶部增加了一层通过 Si 离子注入形成的 Si 掺杂漂移层。

        ● 通过在 fin 区域选择性地进行 Si 注入，显著提高了 fin 部分的导通能力（降低电阻），同时在漂移区深处保持低掺杂密度以维持高击穿电压。

        ● 与传统的单一 UID 漂移层 TSBD 相比，该 DDL 设计在保持相似击穿电压（~2.6-2.7 kV）的情况下，将特定导通电阻降低了 46 %。巴利加优值（BFOM）从传统结构的 481 MW/cm² 显著提升至 959 MW/cm²。

        ●研究表明，DDL 结构能更显著地增强 RESURF 效应，从平面结构到沟槽结构的 BFOM 提升倍数高达约 160 倍，而单一 UID 结构仅提升约 7 倍。

        研究团队提出了一种双漂移层（DDL）架构，重新定义了沟槽肖特基势垒二极管（TSBD）中特定导通电阻（R_on,sp）与击穿电压（V_br）之间的平衡关系。通过对 fin 区顶部进行选择性掺杂，DDL TSBD 在保持高击穿电压的同时，实现了远低于传统单漂移层 TSBD 的 R_on,sp 值。与单漂移层器件（其击穿电压提升需以 R_on,sp 显著恶化为代价）不同，DDL 设计通过有效调控击穿限制电场，实现了 R_on,sp-V_br 轨迹的转变，使基本功能指标（BFOM）提升至原来的 2 倍。这证明 fin 掺杂技术（而非仅依赖几何结构）可用于调控垂直 Ga₂O₃ TSBD 的性能。

图1. (a) 单漂移层(SDL)结构上的 Ga₂O₃ 沟槽肖特基势垒二极管(TSBD)，其具有 12 μm 非故意掺杂 (UID) Ga₂O₃ 漂移层；(b) 双漂移层(DDL) TSBD 结构，其中 12 μm UID 漂移层的上部 1.5 μm 经硅掺杂形成轻掺杂 n 型 Ga₂O₃ 区域；(c) 制备的 DDL TSBD 截面 SEM 图像，其 fin 宽度为 1 μm。

图2. (a) 二次离子质谱（SIMS）剖面图，显示注入后及活化退火处理的DDL样品中硅的分布情况。(b) SDL 和 DDL 样品上平面 SBD 的电容-电压（C-V）特性曲线，以及(c) 根据 C-V 特性估算的对应载流子浓度。

图3. 基于 SDL 和 DDL 结构的平面式与沟槽式 Ga₂O₃ SBD 正向 I-V 特性曲线：（a）线性坐标系；（b）半对数坐标系。（c）DDL 结构中 R_on,sp 随栅极宽度（或有效肖特基接触面积）的变化趋势，与SDL结构数据进行对比。

图4. (a) 基于 SDL 和 DDL 样品制备的平面型与沟槽型 Ga₂O₃ SBD 的反向漏电流特性曲线。(b) 不同 fin 宽度器件的击穿电压值汇总（精确至小数点后一位）。(c) 本研究中 R_on,sp 与 V_br 值与文献报道的对比分析，重点展示 SDL 与 DDL 结构中的权衡轨迹。

图5. TCAD 模拟显示在阳极偏压为 −2.7 kV 时，(a) SDL TSBD 和 (b) DDL TSBD 的电场分布，两者均采用 1 μm fin 宽度。沿 (a) 和 (b) 中标示的 A–A' 与 B–B' 剖面线提取的对应 (c) 垂直及 (d) 水平电场分布曲线。(e) 随 TSBD fin 宽度变化，表面电场 (E_surface) 与沟槽拐角电场 (E_{trench_corner}) 之间比值的关系曲线，所有器件均在各自实验测得的击穿电压下进行模拟，从而识别出导致击穿的主导电场。

DOI：

doi.org/10.1063/5.0307807