【会员论文】APL丨日本NCT&日本国立材料科学研究所团队：倾斜偶极子 PdCoO₂/β-Ga₂O₃ (001) 界面中高肖特基势垒的形成

        由日本NCT、日本国立材料科学研究所的研究团队在学术期刊 Applied Physics Letters 发布了一篇名为 High Schottky barrier formation in tilted-dipole PdCoO₂/β-Ga₂O₃ (001) interfaces（倾斜偶极子 PdCoO₂/β-Ga₂O₃ (001) 界面中高肖特基势垒的形成）的文章。

        β-Ga₂O₃ 是超宽禁带半导体材料，禁带宽度处于 4.6–5.0 eV 区间，兼具高击穿电场、优良化学稳定性以及熔体法可量产单晶的突出优势，在高压功率肖特基二极管、高温场效应晶体管等功率电子器件领域拥有广阔应用前景。高温工况下器件极易因载流子热激发造成漏电流飙升，而高肖特基势垒能够有效抑制漏电、改善反向耐压特性，因此开发高功函数适配电极成为该方向关键研发思路。常规 Ni、Pt 等金属电极与 β-Ga₂O₃ 构筑的肖特基结势垒数值偏低，难以满足高温高压使用需求；层状硫钴矿型 PdCoO₂ 依靠本征交替离子堆叠形成界面偶极，可显著抬升界面势，但现有研究仅局限于 β-Ga₂O₃ (201) 晶面体系。β-Ga₂O₃ (001) 晶面更利于高质量同质外延生长与大功率器件制备，PdCoO₂ 极化轴相对衬底法线倾斜工况下的界面势垒特性尚无系统探究，该结构的器件可行性仍存在研究空白。

        该团队制备了金属型硫钴矿 PdCoO₂/β-Ga₂O₃ (001) 异质结并系统表征其肖特基电学特性，PdCoO₂ 薄膜以 PdCoO₂ (006)//β-Ga₂O₃ (202) 的外延关系生长，形成高质量氧化物界面。PdCoO₂ 表面极化轴相较于 β-Ga₂O₃ (001) 晶面法线倾斜 24°，器件仍实现高于 1.7 eV 的肖特基势垒，该数值与极化垂直界面的 PdCoO₂/β-Ga₂O₃ (201) 体系势垒水平相当。该肖特基结在 573 K 高温下开关比可达 10⁸，证实硫钴矿类电极可适配 β-Ga₂O₃ (001) 高质量同质外延器件。

        •在 β-Ga₂O₃ (001) 衬底上实现 PdCoO₂ 薄膜外延生长，确立 PdCoO₂ (006)//β-Ga₂O₃ (202) 外延匹配关系。

        •界面偶极倾斜 24° 条件下仍实现高于 1.7 eV 的肖特基势垒。

        •制备的二极管在 573 K 高温下开关比可达 10⁸。

        •验证 PdCoO₂ 可作为 β-Ga₂O₃ (001) 大功率器件的高势垒电极材料。

        综上，该团队制备出层状导电氧化物 PdCoO₂ 与 β-Ga₂O₃ (001) 异质结，PdCoO₂ 薄膜以 PdCoO₂ (006)//β-Ga₂O₃ (202) 为主外延取向，其表面极化方向相对 β-Ga₂O₃ (001) 晶面法线倾斜 24°。即便偶极倾斜排布，该界面依旧形成超过 1.7 eV 的高肖特基势垒，器件可在高温环境实现整流特性。研究证实依托偶极带来的高功函数优势与优异氧化物界面，PdCoO₂ 电极可应用于 β-Ga₂O₃ (001) 异质结器件，后续通过边缘终端、沟槽结构等器件优化方案，能够进一步提升该体系耐压与高温服役能力。

图 1. (a) PdCoO₂ 晶体结构，展示 Pd⁺ 与  [CoO₂]⁻ 交替排布的离子层；(b) PdCoO₂/β-Ga₂O₃ (001) 样品 PdCoO₂ (006) 衍射面的 XRD φ–χ 映射测试结果；(c) 在非对称测试构型下，沿 PdCoO₂ 倒格矢 G_003n 采集得到的 PdCoO₂/β-Ga₂O₃ (001) 的 XRD 2θ–w 扫描曲线。

图 2. PdCoO₂/β-Ga₂O₃ (001) 界面的高角环形暗场透射电镜图像，图中叠加 PdCoO₂ 晶体结构模型，绿色线条标注堆垛层错内的孪晶界。

图 3. (a) PdCoO₂/β-Ga₂O₃ (001) 异质结变温电流密度 - 电压曲线，标注数值为 J-V 测试对应的温度；插图：由 J-V 曲线提取的肖特基势垒 φ_b^JV（红色圆点）与不同温度下的理想因子 n（蓝色方块）；(b) PdCoO₂/β-Ga₂O₃ (001) 异质结正向 J-V 曲线，线性区间附带黑色拟合线，依托热电子发射模型由拟合结果计算得到 φ_b^JV 与理想因子 n。

图 4. (a) 298 K 条件下 Au/Ni/PdCoO₂/β-Ga₂O₃ (001) 肖特基结 J-V 特性，插图为器件结构示意图；(b) 纯 PdCoO₂ 电极、Au/Ni 复合电极两种器件的导通电阻随芯片直径的变化关系，纯 PdCoO₂ 器件每组统计 ≥5 支、复合电极器件每组 ≥10 支，数据点为平均值，误差棒代表标准差；(c) 同批次工艺制备 25 支、芯片直径 100 μm 器件在 298 K 下的 φ_b^JV 理想因子分布图，蓝色为线性拟合线，拟合线与 n=1 横线交点对应 φ_b^HOM≈1.85 eV。

DOI：

doi.org/10.1063/5.0332733