【会员论文】复旦大学刘文军教授团队：室温溅射Al₂O₃场板大面积β-Ga₂O₃肖特基势垒二极管，实现1.92kV/5A高静态性能与8.54ns/10.49nC快速反向恢复

        复旦大学刘文军教授研究团队在学术期刊IEEE Transactions on Electron Devices发表了题为1.92 kV/5 A β-Ga₂O₃ Schottky Barrier Diodes With Room-Temperature Sputtered Al₂O₃ Field Plate（采用室温溅射的Al₂O₃场板的1.92 kV/5 A β-Ga₂O₃肖特基势垒二极管）的文章。

        超宽禁带半导体β-Ga₂O₃具有约4.8 eV的宽禁带和约8 MV/cm的理论临界电场，在下一代高压、高功率电力电子器件领域展现出良好的应用潜力。垂直结构β-Ga₂O₃肖特基势垒二极管（SBD）兼具低开启电压、高耐压和快速开关等特点。然而，随着器件向更大有源区面积、更高电流和更高工作电压发展，器件边缘电场拥挤以及介质可靠性等问题逐渐成为限制其性能进一步提升的重要因素。场板结构具有工艺相对简单的特点，因此被广泛用于β-Ga₂O₃ SBD的电场调控。传统Al₂O₃场板通常采用原子层沉积（ALD）制备，但该工艺涉及一定的热预算，并使用含碳前驱体，可能引入碳、氢等残余杂质以及相关界面缺陷，从而影响器件的反向阻断能力和可靠性。此外，较高的工艺热预算还可能对β-Ga₂O₃材料及其界面完整性产生不利影响。相比之下，室温溅射Al₂O₃可在降低工艺热预算的同时减少碳基前驱体的引入，为大面积β-Ga₂O₃ SBD的场板制备提供了一种低热预算工艺方案，并有望兼顾高耐压、高电流和快速开关性能。

1、 静态特性方面

        采用室温溅射Al₂O₃场板制备的大面积β-Ga₂O₃ SBD实现1.92 kV的击穿电压、5 A的正向电流、7.1 mΩ·cm²的比导通电阻和0.52 GW/cm²的PFOM；相较于原子层沉积场板的器件，在正向电压为2 V时，正向电流仅降低13.9%的情况下，溅射Al₂O₃场板的器件击穿电压V_br提升47.69%。分析表明，原子层沉积的场板器件在Al₂O₃/Ga₂O₃界面处存在约1.5×10¹¹ cm⁻²的正片电荷密度。在平带条件下，这些界面正电荷仍可在Al₂O₃介质内部产生约2.9×10⁴ V/cm的非零寄生电场。该寄生电场可能降低载流子注入势垒并促进载流子注入，从而增加反向漏电流，并使器件在达到理论雪崩击穿极限之前出现软击穿。

2、 动态特性方面

        器件进行了双脉冲测试。在di/dt=510 A/μs、V_br=100 V的测试条件下，器件实现8.54 ns的反向恢复时间和10.49 nC的反向恢复电荷。上述结果表明，该大面积β-Ga₂O₃ SBD在具备高耐压和高电流导通能力的同时，也保持了良好的动态开关特性。

        ①室温溅射Al₂O₃场板工艺简单、热预算低，可减少碳基前驱体引入。

        ②室温溅射Al₂O₃场板肖特基界面具有更低的氧空位比例，有利于减弱缺陷相关界面正电荷效应，提高有效肖特基势垒并抑制反向漏电，从而缓解提前击穿。

        ③揭示原子层淀积Al₂O₃场板在平带电压下产生非零寄生电场，降低有效势垒高度并增加漏电流，是导致器件提前击穿的重要因素之一。

        综上，该团队系统评估了不同Al₂O₃场板沉积工艺对β-Ga₂O₃ SBD器件性能的影响。研究结果表明，室温溅射工艺可降低器件制备过程中的热预算，并可能减弱界面正片电荷及其引起的寄生电场效应，从而抑制提前软击穿并维持稳定的反向阻断状态。所制备的溅射Al₂O₃场板SBD实现了1.92 kV的高击穿电压、5 A的正向电流、7.1 mΩ·cm²的比导通电阻以及0.52 GW/cm²的PFOM。此外，器件还表现出优异的动态特性。上述结果表明，室温溅射Al₂O₃场板为大面积、高耐压和高频β-Ga₂O₃电力电子器件提供了一种具有潜力的低热预算场板制备方案。

        本研究得到上海市科学技术委员会（24DP1500105）和（23511102300）资助。

DOI: 

doi.org/10.1109/TED.2026.3714360