【会员论文】APL丨厦门大学杨伟锋教授团队实现大面积高性能氧化镓沟槽 MIS 肖特基势垒二极管

        由厦门大学杨伟锋教授研究团队在学术期刊 Applied Physics Letters 发表了一篇题为 High-performance large-area β-Ga₂O₃ MIS trench Schottky barrier diodes with Al₂O₃/GaON interfacial insulators（采用 Al₂O₃/GaON 界面绝缘层的高性能大面积 β-Ga₂O₃ 沟槽型金属-绝缘体-半导体肖特基势垒二极管）的研究论文。该研究通过在室温下对沟槽侧壁氮化生成超薄 GaON 界面层，结合 60° 倾斜鳍结构与 Al₂O₃/GaON 双层界面绝缘层，在1×2 mm² 大面积器件上同时实现了7.3 mΩ·cm² 的低比导通电阻与 10 A/670 V 的大电流/高耐压能力，并将界面陷阱密度降低了一个数量级。

        氧化镓（β-Ga₂O₃）凭借约 4.9 eV 的超宽禁带、约 8 MV/cm 的高理论临界击穿场强以及可控的 n 型掺杂，已成为千伏级功率器件的关键候选材料，并因同质单晶衬底的可获得性而显著降低了外延成本。在各类 β-Ga₂O₃ 器件中，垂直型肖特基势垒二极管（SBD）因导通损耗低、击穿电压高、反向恢复快而极具竞争力。然而，传统垂直 SBD 面临边缘拐角电场集中导致的局域击穿，以及肖特基接触处热电子发射场发射引起的反向漏电流增大等固有难题。沟槽型 MIS SBD 通过介质层将峰值电场从肖特基结界面偏转至体内半导体（RESURF 技术），但沟槽底部拐角处仍存在电场集中，且刻蚀引入的亚表面缺陷会加剧介质漏电、降低击穿特性。对于同时要求大电流与高耐压的功率开关器件，扩大有源区往往会引入更多缺陷，使大面积沟槽 SBD 沟槽侧壁的缺陷加剧介质漏电、增加介质击穿风险。因此，如何在大面积器件中有效抑制沟槽侧壁介质漏电、降低界面缺陷密度，成为实现高性能 β-Ga₂O₃ 沟槽 SBD 的关键。

        本研究制备了1×2 mm² 大面积 Ni/Al₂O₃/GaON/β-Ga₂O₃ 金属-绝缘体-半导体（MIS）沟槽 SBD。器件基于 β-Ga₂O₃ 外延片：550 μm 厚 (001) 衬底（掺杂浓度 5×10¹⁸ cm⁻³）与 10 μm 厚漂移层（掺杂 2×10¹⁶ cm⁻³）。通过基于氮原子束的低温表面氮化技术实现氧化镓沟槽侧壁氮化，从而形成 Al₂O₃/GaON/β-Ga₂O₃ 界面。正向I-V 测试表明，具有 GaON 层的器件在 V_F=9.5 V时，正向电流约 10 A，比导通电阻 R_on,sp 为7.3 mΩ·cm²，与无 GaON 层的器件（6.7 mΩ·cm²）相当，表明 GaON 层未对正向导通造成明显影响；由对数坐标正向 J-V 提取的理想因子为 1.02，接近理想肖特基结，开启电压由 0.72 V 略微增至 0.75 V。反向 I-V 测试中，无 GaON 层的器件击穿电压分布为 365-407 V，而增加 GaON 层后器件击穿电压提升至 612-670 V，I_on/I_off 超过10⁶，功率优值 PFOM 达到 61.5 MW/cm²，在已报道的大面积（≥1×10⁻² cm²）β-Ga₂O₃ SBD 中处于领先水平。在 -100 V 反向电压下持续 1000 s 的偏压应力测试证实，含 GaON 层器件漏电流稳定、工作可靠。温度依赖 J-V 特性分析证明， GaON 层使反向漏电主导机制由 PF 发射转变为 FNT 机制。C-V 结果显示，GaON 层使平带电压由 -0.2 V 正向偏移至 +5.6 V，有效界面固定电荷密度 N_ox 约为 2.9×10¹² cm⁻²；采用高低频电容法提取的界面陷阱密度 D_it 由 2×10¹² 降至 1.5×10¹¹ eV⁻¹·cm⁻²，降低了一个数量级。

        ① 提出原位氮化沟槽侧壁策略：在保留光刻胶掩膜的条件下，仅对沟槽内壁进行室温氮原子束辐照，原位生成超薄 GaON 层，不影响Fin 顶部肖特基接触，工艺与现有 ICP 刻蚀、ALD 兼容。

        ② 构建 Al₂O₃/GaON 双层界面绝缘结构：GaON 层插入 Al₂O₃ 与 β-Ga₂O₃ 之间，既展宽耗尽区、抑制陷阱相关充电效应，又将界面陷阱密度由 2×10¹² 降至 1.5×10¹¹ eV⁻¹·cm⁻²，降低一个数量级。

        ③ 实现大面积器件低导通与高耐压协同：在 1×2 mm² 大面积器件上获得 7.3 mΩ·cm² 低比导通电阻、10 A/670 V 高电流/电压、理想因子 1.02，功率优值达 61.5 MW/cm²，优于同类大面积 β-Ga₂O₃ SBD。

        ④ 揭示反向漏电机制转变： 增加 GaON 层后器件反向泄漏机制由温度敏感的PF发射转变为弱温度依赖的 FNT 机制，从物理机制上解释了介质漏电被抑制、击穿电压提升的原因。

        综上，本研究通过原子氮束原位氮化与 Al₂O₃/GaON 双层界面绝缘结构，在 1×2 mm² 大面积 β-Ga₂O₃ 沟槽 MIS SBD 上实现了近理想肖特基行为（理想因子1.02）、低比导通电阻（7.3 mΩ·cm²）与 10 A/670 V 的高电流/电压能力。GaON 界面层通过钝化氧空位、引入有利的固定电荷并改变主导漏电机制，同时降低了反向介质漏电并提升了击穿电压。该工作证明 GaON 界面层是实现新一代 β-Ga₂O₃ SBD 高电压整流的有效途径，面向大电流、高耐压功率开关应用具有明确的实用价值，也为后续大面积、高可靠性氧化镓功率器件的界面工程提供了可借鉴的技术路线。

        本研究得到深圳市科技计划项目（项目编号 JCYJ20240813145617023）和国家自然科学基金（项目编号 62171396）的资助。

图 1. β-Ga₂O₃ 沟槽 SBD 的结构示意与形貌：(a)  60° 倾斜 Fin 沟槽 SBD 截面示意图；(b) 大面积（1×2 mm²）β-Ga₂O₃ 沟槽 SBD 顶部光学图及局部放大 SEM；(c) 沟槽 Fin 结构截面 SEM，红框为侧壁放大视图；(d) Al₂O₃/GaON/β-Ga₂O₃ 界面 HRTEM 图。

图 2. (a) 有无 GaON 层的 β-Ga₂O₃ 沟槽 SBD 正向 I-V 特性与比导通电阻R_on,sp。(b) 器件的对数坐标正向 I-V 曲线（限制最大电流 0.1 A）。带有、不带 GaON 层的器件开启电压 V_on 分别为 0.75 V 和 0.72 V，理想因子为 1.02。(c) 有无 GaON 层的 β-Ga₂O₃ 沟槽 SBD 反向 I-V 特性。插图汇总了对应的击穿电压范围、平均值及标准差。(d) 本研究与已报道先进大面积 β-Ga₂O₃ SBD 的R_on,sp vs V_BR性能对比基准图。

图 3. 有无 GaON 层时的沟槽 SBD 反向漏电流随应力时间变化曲线，反向应力电压为 -100 V。

图 4. (a) 无 GaON 层、(b) 有 GaON 层的 β-Ga₂O₃ 沟槽 SBD 在 323～423 K 范围内的反向 J-V-T 特性；(c) 无 GaON 层 β-Ga₂O₃ 沟槽 SBD 的ln(J/E)与E^1/2关系曲线；(d) 无 GaON 层 β-Ga₂O₃ 沟槽 SBD 的 J-V-T 特性对应的 FNT 拟合图。

图 5. (a) 有无 GaON 层的 Al₂O₃/β-Ga₂O₃ MOSCAP 的 C-V 特性，测试频率均为 1 MHz。(b) 有无 GaON 层 MOS 电容的高频与低频 C/C_ox  随电压变化曲线。(c) 当 β-Ga₂O₃ 导带底 E_c 位于 0.1-0.5 eV 区间时，有无 GaON 层时的界面态密度 D_it 分布。(d) 反向偏压下，有无 GaON 层 MIS 界面的电子输运过程示意图。黑色实心点代表自由电子，白色空心点代表氧空位。

        洪梓凡，第一作者，厦门大学电子科学与技术学院微电子学与固体电子学博士，主要研究氧化镓材料生长以及功率器件的设计与制备。

        杨伟锋，通讯作者，厦门大学“闽江学者”特聘教授、博士生导师，入选福建省“外专百人计划”和厦门市“双百计划”创新人才，曾在新加坡南洋理工大学、新加坡国立大学、新加坡科技局从事科研工作。长期研究宽禁带半导体和超宽禁带半导体的外延生长与掺杂机制、器件设计与模拟仿真、芯片工艺与模块集成。在Nature Physics、Energy Materials Storage、Advanced Science、Applied Physics Letters、IEEE Electron Device Letters、IEEE Transactions on Electron Devices等国际知名学术期刊和会议上已总共发表学术论文100余篇，申请/授权发明专利20余项。

DOI：

doi.org/10.1063/5.0319974