【国际论文】KAUST成功研制低成本氧化镓pseudo JBS功率器件

        由阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）李晓航团队在学术期刊 APL Materials 发布了一篇名为 Unipolar β-Ga₂O₃ Pseudo-junction barrier Schottky diodes via Low-Cost magnesium diffusion process（基于低成本镁扩散工艺的单极性 β-Ga₂O₃ 伪结势垒肖特基二极管）的文章。

        超宽禁带半导体（UWBG）因其在未来功率电子电路中的潜力受到广泛关注。其中，β-氧化镓（β-Ga₂O₃）以其约 4.8 eV 的超宽带隙、高击穿场强（约 8 MV/cm）及低成本块体衬底生长工艺，成为下一代高压功率器件的理想材料。二极管作为功率电子电路的重要组成部分， JBS 二极管通过在肖特基接口附近引入 p 型网格，实现低正向压降同时增强击穿电压。然而，由于缺乏可靠的 p 型 β-Ga₂O₃，人们探索了包括 p 型 NiO_x 在内的替代材料，但存在带隙较低、晶格匹配问题以及界面复合等挑战。近年来，镁（Mg）扩散被用于形成高阻挡电子层，在 GaN 和 β-Ga₂O₃ 器件中展现出改善接触电阻和阻挡电流的潜力。然而，现有方法如 Mg 掺杂旋涂玻璃（SOG） 或高温 (>1000 °C) 扩散复杂且成本高。本文工作提出了一种低成本、室温兼容的 Mg 扩散方法，直接在 β-Ga₂O₃ 衬底上形成高阻挡区域，实现 SBD 器件的高击穿电压，同时降低工艺复杂度和成本，为 β-Ga₂O₃ JBS 器件设计提供了一条可行路径。

        β-氧化镓 (Ga₂O₃) 结势垒肖特基二极管具有优异的击穿特性和高效率，但由于缺乏 p 型 Ga₂O₃，人们通常采用诸如 NiO_x 等替代材料，这会带来晶格匹配和温度稳定性方面的挑战。本研究报道了一种通过镁 (Mg) 扩散工艺实现的单极 Ga₂O₃ 二极管，用以形成高电阻电子阻挡区。本工作开发的 Mg 扩散工艺采用室温兼容的化学处理，随后进行 800°C 的退火，相较于文献中已有方法温度更低。因此，该方法可降低器件加工温度需求，从而降低成本。最终器件实现了约 10⁹ 的开关比 (I_on/I_off)，约 0.9 V 的拐点电压，以及 596 V 的击穿电压。此外，该器件在 100 至 500 K 范围内均能稳定工作，凸显了其在宽温区电子器件中的应用潜力。

        本工作展示了一种通过将镁（Mg）扩散到β-Ga₂O₃ 衬底选定区域以形成高阻挡区的 β-Ga₂O₃ 肖特基二极管（SBD）。所提出的方法提供了一种低成本、无硅的 Mg 扩散优化方案。实验制备的 SBD 在 Mg 扩散区域的性能优于普通 SBD；该二极管在显著提升击穿电压的同时，没有对导通态特性造成严重影响。最后，该二极管在宽温度范围内表现出良好的性能，显示出其在极端环境电子器件中的应用潜力。

图1 (a) 含有 Mg 扩散区域的所提 β-Ga₂O₃ SBD 制备工艺的图示说明；(b)(c) 分别为 SBD-1 与 SBD-2 的截面示意图；(d)(e) 分别为所制备 SBD-1 与 SBD-2 的俯视示意图及显微照片。

图2 SIMS 测得的 β-Ga₂O₃ 薄膜中 Mg 浓度分布。

图3 (a) SBD-1 与 SBD-2 的正向偏压特性；(b) SBD-1 与 SBD-2 的反向击穿特性。

图4 (a)(b) 在 −10 V 反向偏压下，SBD-1 与 SBD-2 终端结构区域的 TCAD 模拟电场分布；(c) 沿垂直切线提取的一维电场分布。假设 N_D1 与 N_D2 的 n 型掺杂浓度分别为 10¹⁴ 和10¹⁶ cm⁻³，且在 SBD-1 中 N_D1 区厚度保持为 50 nm。

图5 (a) 所提 SBD-1 在不同温度下的 I–V 特性；(b) 基于传统 TE 模型从 I–V 特性中提取的 ΦB 与 η 的数值。

DOI：

doi.org/10.1063/5.0272582