【会员论文】APL丨南京邮电大学唐为华教授、郭宇锋教授团队：β-Ga₂O₃肖特基势垒二极管在导通状态应力下的性能实时演变

        由南京邮电大学唐为华教授、郭宇锋教授的研究团队在学术期刊 Applied Physics Letters 发布了一篇名为Real-time evolution of performance in β-Ga₂O₃ Schottky barrier diodes under on-state stress（β-Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管在导通状态应力下的性能实时演变）的文章。

        β-Ga₂O₃ 具有超宽带隙（约 4.8 eV）和极高的临界击穿场强，其巴利加优值（BFOM）远超传统的 SiC 和 GaN，是研制下一代高压、高功率电子器件的理想材料。尽管垂直结构的 β-Ga₂O₃ SBD 在电流密度和芯片利用率方面表现优异，但该材料的热导率较低（仅为硅的约 1/6），导致器件在高电流密度运行下会产生严重的自加热效应 。这种热积聚不仅会降低器件效率，更可能引发长期的可靠性问题。目前对于氧化镓器件可靠性的研究大多集中在反向击穿和高压应力下，而对于在功率转换系统中同样关键的正向大电流应力下的性能退化机制，相关深度研究仍然较为匮乏。

        β-Ga₂O₃ 正凭借其卓越的材料特性，如高击穿电场和优异的巴利加优值，迅速崛起为新一代大功率电子器件的领先材料。垂直 β-Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管（SBD）具有高导通电流密度和高效芯片面积利用率等优势，但这些特性也导致功率密度显著提升。由于 β-Ga₂O₃ 的低导热性，其正向工作时的结温可能高于碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）器件，这对长期可靠性构成更大挑战。目前对 β-Ga₂O₃ SBD 导通状态可靠性的全面认知仍存在缺口。本文通过采用“测量-应力-测量”方法，系统研究了 β-Ga₂O₃ SBD 关键性能参数，导通电压 (V_on) 和导通电阻 (R_on) 的实时退化与恢复行为，填补了该研究空白。研究团队通过持续施加正向偏压应力（5–9 V）并施加不同温度条件（25–125°C），评估器件的退化特性及机理。值得注意的是，在 125 ℃ 工作温度下，假设以 V_on 偏移5%作为失效标准，这些 β-Ga₂O₃ 肖特基二极管预计能在 1.46 V 工作电压下可靠运行近十年。这种卓越的鲁棒性既源于 β-Ga₂O₃ 的固有材料特性，也得益于 β-Ga₂O₃ 肖特基结界面的优良质量，充分彰显了 β-Ga₂O₃ 在严苛电力电子领域实现长期高性能应用的巨大潜力。

        •不同于传统的测试前后对比，该工作通过 MSM 技术实现了对 V_on 和 R_on 退化过程的准连续实时记录，发现退化过程呈现出明显的两阶段特征。

        •结合变温 J-V 测试，研究证实了性能退化主要源于金属/半导体界面处的载流子捕获效应，而非晶格的永久性破坏。

        •研究给出了极具竞争力的可靠性数据，计算表明该器件在高温环境持续工作，可保证超长时间的性能稳定性，这标志着 β-Ga₂O₃ 二极管在高温工业应用中具备极高的成熟度。

        本研究采用 MSM 技术，探讨了垂直 β-Ga₂O₃ 反向偏置二极管在导通状态应力作用下的性能退化与恢复机制。研究深入分析了应力电压与温度对关键参数（包括 V_on 和 R_on）的影响。结果表明，应力电压和温度均对退化过程产生显著影响：更高电压和温度会加速退化进程，并加剧不可逆退化程度。通过反向漏电流分析结合扫描透射电子显微镜（STEM）结果表明，不可逆退化源于界面结构的改变。基于 MSM 技术的寿命预测显示，在标准工作电压和室温条件下，该器件可稳定运行近十年，展现出作为新一代功率器件材料的巨大潜力。

        本研究部分由国家自然科学基金（62304113、62204126）资助，部分由国家重点研发计划（2022YFB3605404）资助。

图1. (a) 垂直β-Ga₂O₃ SBD 的结构以及其正向特性筛选结果。(b) 筛选器件的正向电流与漏电流对数坐标特性曲线（由高分辨率源测量单元测得）。(c) 筛选器件的击穿特性曲线（由高压源测装置测得）。(d) 筛选肖特基二极管的肖特基势垒高度(qΦ_B)与 q/2kT 的关系曲线。插图为修正的理查德森图，其中 A* 为理查德森常数，σ₀ 为标准偏差。(e) 测量-应力-测量测试装置示意图。

图2. (a) 在两个导通状态应力和恢复周期中四个随机 SBD 的实时 V_on 退化和恢复情况。(b) 和 (c) 为对数坐标系下随时间变化的冯氏退化与恢复曲线。(d) Ni/Ga₂O₃界面在不同状态下的能带图。

图 3. （a）初始 SBD 和（b）受应力（7 V）SBD 的温度相关反向 J-V 特性。（c）初始 SBD 的 ln(J/T²) 与 F^1/2 的函数关系。（d）受应力 SBD 的 ln(J/F) 与 F^1/2 的函数关系。（e）初始和受应力 SBD 的 S_fit/S_cal。（f）受应力 SBD 的 ln(J/F) - F^1/2 曲线截距与温度的函数关系。（g）初始和受应力 SBD 的界面形貌和元素分布的 STEM 图像。

图 4. （a）不同电压应力下的实时 V_on 退化与恢复。（b）和（c）为不同电压应力下 V_on 退化与恢复的对数标度图。（d）不同电压应力下的实时 R_on 退化与恢复。（e）拟合的 qΦ_B 与应力电压的关系。（f）不同应力电压下受应力的 SBD 的提取 qΦ_T 。

图 5. （a）不同热应力下的冯氏退化与恢复。（b）和（c）为不同热应力下冯氏退化与恢复的对数标度图。（d）不同温度下的实时 R_on 退化与恢复。（e）25 和 125°C 时器件寿命外推。

DOI：

doi.org/10.1063/5.0309261