【国际论文】突破 3 kV 耐压与极低漏电的垂直 (011) β-Ga₂O₃  二极管：采用工程化肖特基和高介电常数场

        由爱荷华州立大学的研究团队最新发布了一项研究成果，研究名为：Over 3 kV and Ultra-Low leakage Vertical (011) β-Ga₂O₃ Power Diodes with Engineered Schottky Contact and High-permittivity Dielectric Field Plate（突破 3 kV 耐压与极低漏电的垂直 (011) β-Ga₂O₃ 二极管：采用工程化肖特基和高介电常数场）。

        β-Ga₂O₃ 因其约 4.8 eV 的超宽带隙、可控浅掺杂以及高临界击穿场强（约8 MV/cm），在紧凑型高功率半导体器件中引起广泛关注。尤其是熔体生长的 β-Ga₂O₃ 本征衬底的可获得性，为超宽带隙功率器件的大规模低成本制备提供了独特机会。尽管已有多种场管理技术（如场板、沟槽结构、保护环、深刻蚀和离子注入）在垂直 β-Ga₂O₃ 功率二极管中展示出优异性能，但多数器件仍采用 HVPE 生长的厚度约 10 μm、(001) 取向的 β-Ga₂O₃ 外延层，其背景掺杂较高，且易形成线状位错，这些“致命缺陷”会导致漏电和击穿电压下降，限制器件高压扩展。为克服这一问题，(011) 取向的 β-Ga₂O₃ 同质外延生长被提出，可减少位错对垂直电流方向漏电的影响。然而，目前 (011) β-Ga₂O₃ 肖特基二极管的基本电子特性及高压性能尚缺系统研究。为实现千伏级高压器件，边缘场管理和肖特基接触工程至关重要，可有效抑制金属/β-Ga₂O₃ 结的隧穿漏电并提升击穿电压。本研究通过在(011) β-Ga₂O₃ 垂直肖特基二极管中集成高介电常数（ZrO₂）场板并优化复合 Pt cap/PtO_x/Pt (1.5 nm) 阳极接触，成功实现了超低漏电、多千伏击穿电压以及低导通电压，展示了 (011) β-Ga₂O₃ 在高压功率器件中的应用潜力及设计策略。

        本文报道了一种耐压超过 3 kV、超低漏电的 (011) β-Ga₂O₃ 功率器件，该器件结合了肖特基势垒工程与高介电常数 (κ) 介质 (ZrO₂) 场板技术。(011) 取向的 β-Ga₂O₃ 实现了低本征掺杂和厚漂移层，这对支持 kV 级垂直 β-Ga₂O₃ 功率开关非常有利。肖特基势垒工程采用复合 Pt cap/PtO_x/Pt（1.5 nm）阳极接触设计，利用 PtO_x 提升反向阻断能力，同时通过薄 Pt 接触层保持低导通电压。研究团队在同一晶片上系统研究了协同制备的 Pt/(011) β-Ga₂O₃ 肖特基二极管 (SBDs)。裸 SBD 的击穿电压约为 1.5 kV，而场板 Pt/(011) β-Ga₂O₃ SBD 通过边缘电场管理将击穿电压提高至 2.75 kV。进一步通过复合 Pt cap/PtO_x/Pt（1.5 nm）肖特基接触的隧穿漏电管理，将场板二极管的击穿电压最终提升至 3.7 kV。值得注意的是，复合 Pt cap/PtO_x/Pt（1.5 nm）接触的导通电压与 Pt/(011) β-Ga₂O₃ SBDs 相似。通过复合 Pt cap/PtO_x/Pt 接触有效控制隧穿漏电，同时保持类似导通电压，结合高 κ 介电 ZrO₂ 场板的边缘电场降低以及 (011) β-Ga₂O₃ 材料自身的优势特性，这一策略展示了在开发超低漏电、多 kV 级垂直 (011) β-Ga₂O₃ 功率器件方面的巨大潜力。

        本文报道了一种基于 (011) 取向 β-Ga₂O₃ 的高功率垂直型肖特基二极管，其采用高介电常数（κ）氧化锆（ZrO₂）场板结构，并通过复合 Pt cap/PtO_x/Pt（1.5 nm）接触实现了工程化的肖特基势垒设计。该器件在反向偏压下表现出优异的电学性能，实现了超过 3 kV 的击穿电压以及极低的漏电流。与传统的 Pt 肖特基接触相比，复合 Pt cap/PtO_x/Pt（1.5 nm）结构在保持相似导通电压的同时，显著提升了反向阻断能力并降低了漏电，为低损耗、高电压功率器件的发展提供了新的可能。因此，本研究充分展示了 (011) β-Ga₂O₃ 的潜力，其厚漂移区具备低背景掺杂特性，再结合精心设计的器件制造策略，为高效千伏级垂直功率开关器件的发展提供了有前景的路径。

图1：(a) 和 (b) 分别为带高介电常数 ZrO₂ 场板的垂直型 (011) β-Ga₂O₃ 肖特基二极管的结构示意图，器件直径为 100 μm。(a) 为复合 Pt cap/PtO_x/Pt（总厚 1.5 nm）肖特基接触结构；(b) 为单层 Pt 肖特基接触结构。(c) 为两种二极管通过 1/C²–V 分析提取的肖特基势垒高度（SBH），插图显示对应的掺杂浓度。

图2：(a) 展示了直径为 100 μm 的肖特基二极管的正向传输特性，器件分别采用复合 Pt cap/PtO_x/Pt（1.5 nm）接触和单层 Pt 接触结构，并对比了有无 20 μm 场板结构的情况。所有样品的理想因子均接近 1，表现出优异的整流特性。(b) 展示了各类二极管的微分比导通电阻（R_on,sp）以及提取的最小比导通电阻。

图3：直径为 100 μm 的肖特基二极管（SBD）的反向 J–V 特性，比较了复合 Pt cap/PtO_x/Pt（1.5 nm）接触和单层 Pt 接触器件在有无 20 μm 场板的情况下的表现。未加场板时，两类器件的击穿电压相近，约在 1.4–1.6 kV 范围。加上场板后，复合 Pt cap/PtO_x/Pt（1.5 nm）器件的反向漏电流显著降低，击穿电压稳定提高至超过 3 kV。插图展示了带场板的复合接触器件的击穿特性，该测试使用 UCSB 的独立参数分析仪完成，可测量超过 3 kV，但噪声底较高。

图4：3 kV 条件下反向漏电流密度的基准对比图，展示了制备的垂直 (011) β-Ga₂O₃ 肖特基二极管（SBD）与文献中报道的基于 (001) 外延片的垂直 β-Ga₂O₃ SBD 的性能对比。

图5：(a) 模拟的电场等高线分布图，显示直径 100 μm 的复合 Pt cap/PtO_x/Pt (1.5 nm) 肖特基二极管在 20 μm ZrO₂ 场板下的电场分布，击穿电压为 V_br = -3692 V。(b) 沿切线 C-D（场板边缘）的电场显示，峰值电场出现在 ZrO₂/β-Ga₂O₃ 界面，为 5 MV/cm；沿平行平面切线 A-B 提取的电场为 2.53 MV/cm。

DOI:
doi.org/10.48550/arXiv.2510.25695