【国内新闻】利用氧退火增强β-Ga₂O₃二极管的性能

        虽然β-Ga₂O₃电力电子器件已取得长足进步，但挑战依然存在，包括建立高产能工艺，以生产具有足够击穿电压的大面积器件。

        中国科学技术大学和河北半导体研究所的研究人员最近在这方面取得了实质性进展。该团队的研究表明，对HVPE制成的β-Ga₂O₃样品进行氧退火可降低这些薄膜的表面粗糙度和位错密度，从而提高肖特基势垒二极管的击穿电压。

        据团队发言人Feihong Wu介绍，另一项突破是使用了台面终端，台面终端与氧退火一起用于制造大至3 mm x 3 mm的器件。这些肖特基势垒二极管的阻断电压超过700 V，在2 V的正向偏压下可输出8.7 A电流。

        许多技术都可用于β-Ga₂O₃的外延生长，包括HVPE、MOCVD和MBE。其中，MOCVD能产生卓越的迁移率，HVPE则以快速生长厚膜和设备成本相对较低而闻名。

        Feihong Wu指出，日本Novel Crystal Technology销售的商用β-Ga₂O₃样品就是通过HVPE生产的。

        Feihong Wu表示：“因此，可以承认HVPE目前具有一定的优势。不过，由于商业上可行的β-Ga₂O₃样品仍在开发中，现在就确定哪种方法更优越还为时尚早。”

        为了研究氧退火的影响，Feihong Wu及其同事使用Novel Crystal Technology的外延片制作了一系列尺寸未公开但明显小于3 mm x 3 mm的器件，这些器件具有10 μm厚的轻硅掺杂漂移层，通过HVPE沉积在载流子浓度为5 x 10¹⁸ cm^-3的锡掺杂β-Ga₂O₃衬底上。

        制造肖特基势垒二极管首先要进行化学清洗，然后在200 ℃、400 ℃、600 ℃或800 ℃下热退火30分钟。为了消除退火导致的欧姆接触电阻的增加，研究团队改用电感耦合等离子体刻蚀法，而后添加接触，再用电感耦合等离子体刻蚀法确定台面（见图）。

        原子力显微镜显示，退火降低了均方根粗糙度，在2 mm x 2 mm的扫描区域内，从0.435 mm降至0.245 mm。

        由于载流子浓度降低，在2 V正向偏压下，该团队二极管的电流密度随着退火温度的升高而降低。退火温度为600 °C时，肖特基势垒高度在1.16 eV处达到峰值，击穿电压在400 °C时达到峰值。Feihong Wu及其同事还考虑了功率因数，功率因数在400 °C时达到峰值173 MW cm^-2，因此400 °C被判定为最佳退火温度。

        在所有退火温度下，刻蚀（用于生产台面结构）都会导致阻断电压的增加，原因是其对表面缺陷进行了更广泛的修复。

        研究团队将3 mm x 3 mm的二极管封装在TO-254外壳中，在氮气环境中采用平行封焊和焊接工艺保护器件。对该器件进行基准测试后发现，其功率因数为45 MW cm^-2，在已报告的研究中处于领先地位。

        Feihong Wu表示，许多用于基准测试的器件都采用了复杂的终端结构，与其二极管不同。“虽然也有一些面积相近、结构简单的器件，但它们的性能与我们的器件并不匹配。”

        该团队的计划之一是深入了解氧退火的修复机制。

        Feihong Wu表示：“此外，我们的目标是研究氧退火对台面终端的影响。例如，我们试图了解为什么热氧化与台面终端相结合时，器件的击穿电压会显著增加。”

参考文献：F. Wu et al. Appl. Phys Express 17 036504 (2024)