【会员论文】西安电子科技大学郝跃院士、马晓华教授团队：采用溅射p-GaN的4.3 kV全垂直β-Ga₂O₃异质结势垒肖特基二极管

        β-Ga₂O₃（氧化镓）作为超宽禁带半导体的代表，凭借高达 8 MV/cm 的临界击穿电场和低成本大规模制备的潜力，在下一代高压功率电子领域极具竞争力。然而，由于氧化镓极难实现有效的 p 型掺杂，传统的氧化镓功率器件通常局限于单极结构（如 SBD），这严重限制了其在高压下的电场调控能力和击穿特性。为了打破这一瓶颈，研究者开始探索将外部 p 型材料（如 NiO）与 n 型氧化镓集成。GaN（氮化镓）因其成熟的 p 型掺杂技术和优异的热稳定性，被认为是构建氧化镓异质结的理想选择，但此前关于全垂直结构 p-GaN/n-Ga₂O₃ 异质结势垒肖特基二极管的实验研究非常匮乏。

        本文报道了一种采用溅射 p 型氮化镓（GaN）层的全垂直 β-氧化镓（β-Ga₂O₃）异质结势垒肖特基（HJBS）二极管。该器件表现出高达 4335 V 的破坏性击穿电压（BV）、0.8 V 的开启电压（V_on）和 6.79 mΩ·cm² 的比导通电阻（R_on,sp），从而获得了出色的巴里加品质因数（BFOM），达到 2.77 GW/cm²。这种高性能主要归因于阳极下方 p 型GaN 层引入的有效电场调制，该层抑制了峰值电场拥挤并显著延迟了击穿的开始。为了进一步验证溅射 p 型 GaN 层的材料质量和结构完整性，采用扫描透射电子显微镜（STEM）、X 射线衍射（XRD）和透射电子显微镜（TEM）进行了综合表征，结果表明其具有致密的形态和取向良好的晶体结构。这些结果证实，溅射是一种可行且具有前景的集成 p 型 GaN 的方法，在β-Ga₂O₃缺乏有效 p 型掺杂技术的情况下尤为重要。此外，还进行了温度依赖的电流-电压（I-V-T）测量以研究反向漏电流传输机制。研究发现，在低反向电压范围（−1 至 −20 V）内，普尔-弗伦克尔（PF）发射占主导地位，陷阱势垒高度为 0.74 eV。随着反向偏压的增加（−20 至 −200 V），主导传输机制转变为三维莫特可变范围跳跃（3-D Mott–VRH）。

        ·研究团队首次实验演示了利用磁控溅射技术集成 p-GaN 层制造的全垂直 β-Ga₂O₃ HJBS 二极管，为缺乏 p 型氧化镓的问题提供了一种切实可行的异质集成方案 。

        ·该器件实现了极高的电学性能：击穿电压 (BV)达到 4335 V，相比未采用 p-GaN 结构的参考器件（770 V）提升了数倍 。Baliga 功率优值 (BFOM)达到 2.77 GW/cm²，在已报道的全垂直氧化镓异质结器件中处于领先水平 。

        ·通过 TCAD 仿真证实，阳极下方的 p-GaN 环结构有效地重新分布了电场。它将原本集中在肖特基接触边缘的电场峰值从 8.0 MV/cm 显著降低至 4.3 MV/cm，从而极大地延迟了击穿的发生。

        ·结构表征（STEM 和 XRD）显示，溅射制备的 p-GaN 层具有致密的形貌和良好的多晶结构，其 (002) 衍射峰位置与 MOCVD 生长的标准值高度吻合（34.43° vs 34.6°），确保了良好的漏电流抑制能力。

        在本研究中，本篇文章首先展示了利用溅射 p-GaN 制备全垂直 p-GaN/n-Ga₂O₃ 异质结双肖特基二极管（HJBS）的过程。得益于溅射 p-GaN 层的良好取向晶体结构和电场的有效调制，所提出的 HJBS 实现了 4335 V 的击穿电压（BV）和 2.77 GW/cm²的击穿电场强度（BFOM）。与先前报道的全垂直 HJBS 二极管相比，所提出的 p-GaN/n-Ga₂O₃ HJBS 在击穿电压和击穿电场强度方面表现出更优异的性能。这些发现凸显了 p-GaN 作为 Ga₂O₃ 基异质结构中有效 p 型材料的巨大潜力，为解决长期以来缺乏 p-Ga₂O₃ 材料的难题提供了一种新方法。这一进展有望为高压应用中 Ga₂O₃ 二极管的发展做出重大贡献。

图1. (a) p-GaN/n-Ga₂O₃ HJBS 的结构示意图。 (b) β-Ga₂O₃ 晶片的 XRD 2Θ 扫描图。

图2. p-GaN/n-Ga₂O₃ HJBS 的制备工艺流程。

图3. (a) 倾斜角度为 52° 的扫描电子显微镜（SEM）图像。 (b) 氢化焦黑硫（HJBS）的扫描透射电子显微镜（STEM）图像。

图4. (a) Ref-SBD 和 HJBS 的电容 - 电压（CV）曲线。(b) 从 CV 测量中提取的 n⁻-Ga₂O₃ 漂移层的 N_D −N_A。

图5. Ref-SBD 和 HJBS 的典型正向 I-V 特性，分别以（a）半对数坐标和（b）线性坐标显示。

图6. (a) Ref-SBD 和 HJBS 的典型反向 I–V 特性。(b) Ref-SBD 和(c) HJBS 在 -800 V 下的电场分布模拟图。Ref-SBD 和 HJBS 器件的提取电场分布图，显示(d)沿切割线A-A’ 的 β-Ga₂O₃ 表面的水平场分布和(e)沿切割线 B-B’ 的阳极边缘下方的垂直场切割线。

图7. 对通过溅射和金属有机化学气相沉积（MOCVD）制备的晶片进行了 p 型氮化镓（p-GaN）层（002）晶面的 X 射线衍射（XRD）分析。

图8. (a)和(b)分别为多晶 p-GaN 层在 50 nm 和 10 nm 尺度下的透射电子显微镜（TEM）图像。(c) p-GaN 层的选区电子衍射（SAED）图案。(d)至(f) p-GaN 层和 Ga₂O₃ 层中 Ga、N 和 O 的元素分布。

图9. (a) 以半对数尺度表示的 p-GaN/n-Ga₂O₃ HJBS 的正向温度依赖性 I–V 特性。(b) HJBS 中 R_on,sp 随温度变化的关系。

图10. (a) 以半对数尺度表示的 p-GaN/n-Ga₂O₃ HJBS 的逆温度依赖性 I–V 特性。(b) 使用 PF 模型拟合建立了 ln(JR/E)与 E^1/2 之间的关系。(c) 通过 PF 模型拟合，建立了 ln(JR)与 1000/T 之间的关系。 (d) A(T)作为 1/kT 的函数。

图11. (a) 使用 VRH 模型拟合建立了 ln(JR)与 E 之间的关系。(b) 使用 VRH 模型拟合建立了 ln(JR)与 1/T^1.25 之间的关系。

图12.(a) 在不同阳极电压下测得的器件 lnG 与 T^−1/2 的函数关系，对应于 ES–VRH 模型。(b) 在不同阳极电压下测得的器件 lnG 与 T^−1/4 的函数关系，对应于 3-D Mott–VRH 模型。

图13. 用 p-GaN 和 p-NiO 制备的全垂直异质结肖特基二极管（HJBS）在（a）R_on,sp–BV 坐标系和（b）BFOM-BV 坐标系中的对比。

DOI：

doi.org/10.1109/TED.2026.3687817