【会员论文】ISPSD 2026丨电子科技大学/中科院苏州纳米所提出复合终端结构，实现β-Ga₂O₃肖特基二极管耐压显著提升

        由电子科技大学孔谋夫教授、中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张晓东高级工程师等人的研究团队在 2026 IEEE 38th International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs (ISPSD)（第 38 届 IEEE 功率半导体器件与集成电路国际研讨会）发布了一篇名为 A Novel Electric field Modulation Ga₂O₃ Schottky Barrier Diode with Nitrogen-Ion Implantation combine with Trench Field Limit Rings and Floating Metal Rings Termination（一种结合氮离子注入、沟槽场限环与浮动金属环的新型电场调制 Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管）的文章。

        β-Ga₂O₃ 作为超宽禁带半导体材料，拥有约 4.8 eV 的禁带宽度以及最高可达 8 MV/cm 的临界击穿电场，其巴利加优值远优于硅、氮化镓、碳化硅等传统功率半导体材料，是高压大功率电子器件领域的核心候选材料。同时该材料可通过熔体法制备大尺寸、高质量单晶衬底，具备低成本规模化量产的先天优势。受自补偿效应与深受主能级影响，β-Ga₂O₃ 难以实现有效的 p 型掺杂，因此单极型垂直肖特基势垒二极管成为其商业化应用的主流方向。为不断提升 Ga₂O₃ 肖特基二极管的击穿电压并降低比导通，业界陆续开发出场板、台面结构、异质结终端、选择性离子注入等多种边缘终端技术，其中氮、镁、氦、氟等离子注入技术可在器件边缘形成高阻区或深受主，调控边缘电场，应用效果突出。此外沟槽场限环结构也被证实能够抑制边缘电场、降低漏电流。但现有单一终端结构仍存在电场调控能力有限的问题，难以进一步突破器件耐压上限，将多种终端结构进行复合集成、协同优化电场分布，成为当前 Ga₂O₃ 功率二极管领域亟待探索的研究方向。

        该研究提出并制备了一种集成氮离子注入保护环、沟槽场限环与浮动金属环的新型电场调制 Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管。该器件利用氮离子注入保护环抑制漏电流、降低表面电场，同时在终端区域结合沟槽场限环与浮动金属环实现二次电场调控，大幅提升器件耐压能力。相较于传统垂直 Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管，该复合终端结构器件的击穿电压由 91 V 提升至 1768 V，同时保持约 0.7 V 的超低开启电压、5.72 mΩ・cm² 的比导通电阻，功率优值可达 0.55 GW/cm²，该性能在以往采用离子注入终端的垂直 Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管中处于最优水平。本研究为垂直型 Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管的设计与制备提供了全新可行的技术方案。

        •提出一种融合氮离子注入保护环、沟槽场限环与浮动金属环的复合终端结构，应用于 Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管。

        •该复合结构具备优异的电场调控效果，大幅提升器件击穿电压。

        •器件在实现高击穿电压的同时，保持低开启电压与低比导通电阻。

        •该器件功率优值在同类型离子注入终端 Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管中达到最优水平。

        该研究制备了三种具备不同终端结构的垂直肖特基势垒二极管，分别为无终端结构的参考器件、仅采用氮离子注入终端的器件，以及集成氮离子注入、沟槽与浮动金属环的复合终端（NI-TFMR）器件。新增的终端结构可有效调控器件内部电场分布，使耐压能力得到大幅提升。仅采用氮离子注入工艺时，器件击穿电压由 91 V 提升至 1019 V，提升幅度达 11 倍。而采用 NI-TFMR 复合终端的器件击穿电压进一步提升至 1768 V，相比参考器件提升 19.4 倍，相较于单一氮离子注入器件提升 73%；同时器件比导通电阻低至 5.72 mΩ・cm²，功率优值高达 0.55 GW/cm²。实验结果证实该 NI-TFMR 结构具备优异的电场调控能力，在高性能垂直型 Ga₂O₃ 功率器件研发中拥有巨大应用潜力。

        本研究得到四川省中央引导地方科技发展专项（项目编号：2024ZYD0310）的资助。

图 1. 所制备三款垂直 β-Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管的截面示意图：(a) 无终端结构参考器件；(b) 氮离子注入保护环终端器件；(c) 氮离子注入保护环、沟槽场限环与浮动金属环复合终端器件。

图 2. (a) 器件简化制备工艺流程示意图；(b) 新型氮离子注入-沟槽-浮动金属环复合终端器件的俯视扫描电镜图像。

图 3. (a) 氮离子注入-沟槽-浮动金属环复合终端肖特基势垒二极管的电容-特性与 1/C²-V 测试曲线；(b) 由测试结果提取的界面处净掺杂浓度随深度变化曲线；(c) 采用 SRIM 软件仿真得到的氮元素浓度分布曲线。

图 4. 参考器件、氮离子注入器件、氮离子注入-沟槽-浮动金属环复合终端器件的正向电流密度-电压特性：(a) 线性坐标曲线；(b) 对数电流-电压拟合曲线；(c) 半对数坐标曲线。

图 5. (a) 参考器件、氮离子注入器件、氮离子注入-沟槽-浮动金属环复合终端肖特基势垒二极管的反向电流密度-电压特性；(b) 反向偏压 1000 V 条件下，氮离子注入器件沿切线方向的仿真电场分布；(c) 反向偏压 1000 V 条件下，氮离子注入-沟槽-浮动金属环复合终端器件沿切线方向的仿真电场分布。

图 6. 已报道各类垂直 Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管的性能对比图：(a) 比导通电阻与击穿电压关系曲线；(b) 开启电压与功率优值关系曲线。

DOI:

10.1109/ISPSD64561.2026.11553575