【会员论文】深圳平湖实验室万玉喜主任、张道华院士团队：原子级粗糙度对垂直β-Ga₂O₃肖特基势垒二极管及高温性能的影响

        由深圳平湖实验室的研究团队在学术会议 2025 IEEE Workshop on Wide Bandgap Power Devices and Applications in Asia (WiPDA Asia) 发布了一篇名为 Effect of Atomic-Level Roughness on Vertical β-Ga₂O₃ Schottky Barrier Diode and High-Temperature Performance（原子级粗糙度对垂直 β-Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管及高温性能的影响）的文章。

        本工作得到深圳平湖实验室项目（Grant No. 224110）的支持。

        β-氧化镓（β-Ga₂O₃）是制造下一代大功率电子器件的理想材料之一。其中，垂直结构肖特基势垒二极管（SBD）因其能承受大电流和高电压而备受关注。器件的性能，特别是反向漏电流和击穿特性，对金属/半导体界面的质量极为敏感。界面处的缺陷和不平整会引起电场集中，导致器件过早击穿，性能远低于理论预期。虽然 CMP 是获得平坦表面的标准工艺，但它会在半导体表面下引入一层损伤层，这层损伤同样会恶化器件性能。因此，开发一种能够在去除 CMP 损伤的同时获得原子级平整表面的处理技术，对于提升垂直结构 β-Ga₂O₃ SBD 的性能至关重要。

        深圳平湖实验室团队通过开发两步感应耦合等离子体与湿法修复处理技术，针对 HVPE 外延制备的器件实现了外延层的原子级表面粗糙度。在垂直 β-Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管（SBD）上采用优化表面处理后，获得了 0.12 nm 的卓越表面粗糙度及接近 1 的理想因子（n=1.05）。相较于未处理样品，其阻断能力显著提升，击穿电压 (BV) 增幅超过 1.6 倍。通过高温电学特性综合分析验证，改进的 Ni/β-Ga₂O₃ 界面质量可有效提升器件性能。经 175 ℃ 下 -100V 关断应力测试，表面处理后的 SBD 在正向特性中表现稳定，电流密度仅轻微衰减（∆J_max <0.01%）。该成果为进一步提升 β-Ga₂O₃ 器件表面质量奠定基础，并验证了 SBD 在高温功率应用场景中的潜力。

        ● 创新性地将两步干法刻蚀与 HF 湿法腐蚀相结合，成功获得原子级平整且无损伤的 β-Ga₂O₃ 表面，为制备高性能器件提供了理想的界面基础。

        通过开发两步 ICP 蚀刻与湿法修复表面处理工艺，获得了表面粗糙度为 0.12 nm 的平滑表面。表面质量的提升可显著提高表面处理 SBD 的 BV，增幅超过 1.6 倍。此外，由于表面密度较低，获得了理想因子（n=1.05）。关断状态应力测量表明，经表面处理的 SBD 在严苛高温条件下仍能保持可靠的动态性能。

图1. 研究中所用的自对准 SBD 的横截面结构及主要工艺流程示意图。

图2. 采用AFM测得的表面粗糙度三维轮廓图：(a)干法蚀刻前的样品1，(b)干法蚀刻后的样品2。

图3. 干法刻蚀诱导表面副产物产生的 Cl XPS 光谱：未进行湿法溶液处理（黑线）与经湿法溶液处理（蓝线）。

图4. 表面处理前（a）与表面处理后（b）的 SBD 器件正向特性曲线。

图5. 25℃ 至 175℃ 温度范围内的温度依赖性（a）正向 J-V 曲线和（b）R_on,sp 特性（对数刻度）。（c）温度依赖性理查森图。

图6. (a) SBD 的温度依赖性反向电流特性曲线。 (b) 室温下表面处理与未处理 SBD 的击穿电压。

图7. 75 至 175℃ 高温范围内 SBD 的应力可靠性（a-c）。插图：1A/cm² 附近的 J 值偏移。（d）不同温度下， 2V 电压下饱和正向电流 J 的衰减。