【国内论文】北方工业大学：双场板β-Ga₂O₃横向沟槽肖特基势垒二极管的击穿电压与正向导通性能增强

        由北方工业大学的研究团队在学术期刊 Engineering Research Express 发布了一篇名为 Enhanced Breakdown Voltage and Forward Conduction in Dual-Field-Plated β-Ga₂O₃ Lateral Trench Schottky Barrier Diodes（双场板 β-Ga₂O₃ 横向沟槽肖特基势垒二极管的击穿电压与正向导通性能增强）的文章。

        本研究得到了国家自然科学基金（Grant No. 62090054、62404216）、北京工业大学青年科研专项（Project No. 110051360025XN077-37）以及北京工业大学科研启动基金（Project No. 11005136025XN076-073）的支持。

        单斜晶相氧化镓（β-Ga₂O₃）是一种性能优越的超宽禁带半导体，因其极高的理论击穿场强（~8 MV/cm）而在功率电子器件领域备受瞩目。肖特基势垒二极管（SBDs）是 β-Ga₂O₃ 功率器件的基本构件，兼具低开启电压和快速开关的优点，非常适合功率转换应用。然而，传统平面型 SBD 的一个关键挑战是在肖特基接触电极边缘会产生严重的电场拥挤效应，这会导致器件过早击穿，无法充分发挥材料的性能优势。为了解决这一问题，研究人员开发了如场板、PN结终端、沟槽结构等多种电场管理技术。

        本研究开发了具有沟槽蚀刻电极的双场板 β-Ga₂O₃ 横向肖特基势垒二极管（SBD），以缓解平面二极管因电场屏蔽不良而导致的软击穿。沟槽设计同时优化了电场管理并扩大了肖特基接触面积，从而实现了卓越的正向导通性能。器件表征显示，对于 10 μm 的阳极 - 阴极间距（L_AC）配置，其性能指数极为出色，实现了创纪录的低比导通电阻（R_ON，SP）2.0 mΩ·cm²，超高的整流比 10¹¹，以及近乎理想的开关行为，亚阈值摆幅（SS）为 65 mV/dec。提取的理想因子（η = 1.12）和肖特基势垒高度（qΦ_B,0 = 1.35 eV）证实了所制备的侧壁肖特基界面的高质量特性。与肖特基接触电连接的集成双场板结构展示了有效的电场管理能力，在 L_AC = 35 μm 时实现了 1.15 kV 的击穿电压。功率优值（PFOM = V_BR²/R_ON,SP）达到令人瞩目的 135 MW/cm²，是基于 β-Ga₂O₃ 单晶的肖特基势垒二极管（SBD）所报道的最高值之一。这些结果表明，采用沟槽结构的 SBD 是下一代高功率电子器件应用的有前途的候选者。

        本研究成功实现了双场极 β-Ga₂O₃ 横向沟槽式反向偏置二极管（SBD），其正向导通与反向阻断特性均表现优异。沟槽结构赋予器件卓越的电学性能：正向电流密度高达 150 mA/mm，正向导通电阻（R_ON,SP）低至 2 mΩ·cm²，电流整流比达 10¹¹。双场板结构有效缓解了肖特基接触处的电场拥挤现象，使电压比（V_BR）达1.15 kV，对应功率密度（PFOM）达 135 MW/cm²。这些结果凸显了肖特基界面电场管理对器件性能优化的关键作用。多场板沟槽结构作为高性能 β-Ga₂O₃ 功率器件的创新设计方案，展现出显著优势：与标准制造工艺完全兼容、击穿特性增强、导电性能优异。这些综合优势使该技术特别适用于新一代电力转换系统。

图1. (a) β-Ga₂O₃ 衬底的 HRXRD 图谱及 (b) AFM 表征图像 (c) 金属/Ga₂O₃ 的 TEM 截面图像 (d)Ga₂O₃ 层的选区电子衍射谱图。

图2. (a) 制备的肖特基二极管结构示意图，(b) 制备的横向肖特基二极管在 L_AC=10 μm 和 L_AC=35 μm 条件下正向 I-V 与 R_ON,SP-V 性能的线性标度图，(c) 制备的 β-Ga₂O₃ 横向 SBD 的光学显微镜图像。

DOI： 

doi.org/10.1088/2631-8695/adfdb2