【国际论文】千伏级 β-Ga₂O₃ (001) 垂直沟槽肖特基势垒二极管中的击穿诱导定向裂纹

        近期，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Breakdown-induced directional cracking in kilovolt-class β-Ga₂O₃ (001) vertical trench Schottky barrier diodes（千伏级 β-Ga₂O₃ (001) 垂直沟槽肖特基势垒二极管中的击穿诱导定向裂纹）的文章，该篇文章被期刊编辑评为特色文章“Featured Article”。

        Martin H H Kuball教授现任职于英国布里斯托大学物理学院物理学教授，同时作为英国皇家工程院新兴技术主席，电气和电子工程师学会（IEEE）、材料研究学会（MRS）、光电仪器工程师学会（SPIE）、工程技术学会（IET）和物理学会（IoP）的会员，也是英国皇家学会功勋奖获得者。

        随着 β-氧化镓（β-Ga₂O₃）功率器件逐渐走向商业化，对其缺陷分析和可靠性研究变得日益重要。通过熔融法（如 EFG, CZ, VB 等）生长的大尺寸 β-Ga₂O₃ 衬底，虽然降低了成本，但会造成晶体缺陷，影响器件性能和可靠性，这在 SiC 等材料中已有先例。在 (001) 取向的 EFG 生长 β-Ga₂O₃ 衬底中，存在一种被称为板状纳米管（plate-like nanopipes, PNPs）的典型缺陷，它们沿 (100) 面扩展（在 (001) 表面上看起来沿 [010] 方向）。实验观察到，千伏级（kilovolt-class）的 β-Ga₂O₃ (001) 垂直沟槽肖特基势垒二极管（TSBDs）在发生电击穿失效时，经常出现沿 [010] 方向的材料开裂和局部剥离，这与 PNPs 缺陷的取向一致。

        在千伏级的垂直肖特基势垒二极管中，β-Ga₂O₃（001）材料的失效通常表现为材料开裂以及沿 [010] 方向的局部剥离，这与 Ga₂O₃ 晶体中片状纳米管缺陷的取向一致。本研究旨在确定这些缺陷是否是器件失效的主要原因。采用激光共聚焦显微镜和扫描电子显微镜技术对材料中的原始缺陷以及器件在 3.8 kV 电气击穿时产生的损伤位置进行了成像。研究分析表明，缺陷位置与击穿位置之间没有明显的关联。沿 [010] 方向的失效/开裂似乎是由于电弧损伤和击穿瞬间产生的热量导致沿（100）解理面的热机械失效所致，至少对于所观察到的大多数情况而言，并非由原始的片状纳米管引起。

        首次系统将裂纹发生位置与 PNP 缺陷位置进行一一对应分析，否定了 PNP 缺陷是裂纹主因的假设。

        提出击穿裂纹是由于高温局部膨胀导致沿 (100) 面劈裂，而非由本征材料缺陷直接引起。

        利用纳米压痕实验进一步佐证材料在无电场条件下也倾向于沿 [010] 方向裂开。

        通过电场模拟确认，即使采用场板（Field Plate）结构，也无法有效改变裂纹方向性，说明材料本征机械特性是主导因素。

        提出未来可探索 (010) 或 (100) 晶面取向衬底，以减少因劈裂导致的可靠性问题。

        在 Ga₂O₃（001）垂直沟槽肖特基势垒二极管中，观察到在电关断状态击穿后沿 [010] 方向出现裂纹，这与 Ga₂O₃ 中已知存在 PNP 缺陷的方向一致。通过共聚焦显微镜和扫描电子显微镜对器件区域中的缺陷和击穿引起的裂纹进行定位，未发现 PNP 位置与击穿点之间存在明显关联。击穿引起的定向裂纹似乎是由于（100）弱晶面导致的热机械失效所致，这一点通过纳米压痕得到了证实。

图 1. (a) 示意图显示沿着 Ga₂O₃ 衬底 (100) 平面传播的板状纳米管缺陷。(b) 三维共聚焦显微镜图像，显示缺陷穿过晶体主体向衬底/外延层界面延伸。

图 2. (a) 沟槽型肖特基势垒二极管（TSBD）示意图。 (b) 制作完成的圆形 TSBD 的俯视 SEM 图像。(c) TSBD 的正向-IV 特性和 (d) 反向电压和电流特性，显示击穿电压为 3.8 kV。通过向器件施加 0.5 μA 的电流，监测反向电压和电流随时间的变化。(e) TSBD 击穿后的横截面 SEM 图像，显示出沿 (100) 平面的击穿诱导裂纹。(f) 以文献报告为基准的 TSBD 性能。

DOI：

doi.org/10.1063/5.0260734