【会员论文】ISPSD 2026丨西交大耿莉教授联合西电郝跃院士团队突破TMBS可靠性瓶颈！氮离子注入屏蔽型β-Ga₂O₃沟槽二极管实现2.77 kV耐压

        由西安交通大学耿莉教授联合西安电子科技大学郝跃院士的研究团队在会议 2026 IEEE 38th International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs (ISPSD) 发布了一篇名为 High-Performance and Reliability-Enhanced β-Ga₂O₃ Trench Schottky Barrier Diodes with Ion Implantation Shielding Layer（基于离子注入屏蔽层的高性能、高可靠性 β-Ga₂O₃ 沟槽肖特基势垒二极管）的文章。本文第一作者为西安交通大学微电子学院李明博士。

        β-Ga₂O₃ 为超宽禁带半导体，禁带宽度区间 4.6–4.8 eV，临界击穿电场远高于 SiC、GaN，拥有极高巴利优值，且外延片、衬底制备具备低成本潜力，是新一代高压功率电子器件的核心材料。

        常规平面型 Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管（SBD）存在严重的电场聚集效应，会增大反向漏电流、造成器件提前击穿。沟槽 MOS 势垒肖特基二极管（TMBS）依靠鳍型侧壁 MOS 电容实现 RESURF 电场调制，能偏移表面峰值电场、提升耐压、降低漏流，但该结构存在难以规避的短板：高反向电压下介质漏电会引发介质失效击穿；沟槽 MOS 界面缺陷严重损害器件可靠性；同时侧壁 MOS 结构挤占正向导电通道，器件比导通电阻 R_on,sp 显著升高。

        已有研究证明离子注入边缘终端可在肖特基接触外围形成高阻区域，缓解阳极边缘电场集中，但该方案仅能作用于器件平面边缘，无法同步实现沟槽底部、侧壁全方位电场屏蔽。针对传统沟槽 TMBS 导通损耗、耐压、可靠性无法协同优化的技术瓶颈，本文设计多层氮离子注入屏蔽型沟槽肖特基二极管（TSBD）。

        该团队研制了一种具备高可靠性的氮离子注入屏蔽型 β-Ga₂O₃ 沟槽肖特基势垒二极管（TSBD）。该器件采用多能量氮离子注入层替代沟槽侧壁 MOS 电容，消除了侧壁耗尽效应，拓宽电流导通路径并降低比导通电阻（R_on,sp）；同时形成高阻区对肖特基界面进行电场屏蔽，缓解电场聚集效应、抑制反向漏电流。所制备的 TSBD 实现 2.77 kV 的高击穿电压（V_br）、7.32 mΩ・cm² 的低比导通电阻，巴利优值（BFOM）突破 1 GW/cm²。本文从正向大电流偏置应力、关态应力、最高 600 K 多轮热循环多个维度全面测试了该器件的可靠性，验证其具备优异稳定性能。该研究证实，离子注入屏蔽工艺是制备高性能、高可靠 β-Ga₂O₃ 沟槽功率二极管的可行技术路线。

        ·提出新型氮离子注入屏蔽型 β-Ga₂O₃ 沟槽肖特基二极管，采用多能量氮离子注入层替代传统沟槽侧壁 MOS 电容，彻底消除侧壁耗尽效应，拓宽正向导电通路，大幅降低器件比导通电阻 R_on,sp；

        ·多能量氮离子注入在沟槽底部、侧壁同步形成高阻屏蔽区，全方位屏蔽肖特基界面电场，抑制电场聚集，显著降低反向漏电流，将击穿电压提升至 2.77 kV，巴利优值突破 1 GW/cm²；

        ·摒弃传统 TMBS 沟槽介质层，消除介质漏电、MOS 界面缺陷带来的可靠性隐患；

        ·完成正向大电流应力、关态反向偏压应力、最高 600 K 多轮热循环多维度可靠性测试，器件参数漂移幅度均控制在 4% 以内，验证器件高温高压工况下的长期稳定性能；

        ·器件综合性能优于现有已报道 β-Ga₂O₃ 沟槽 TMBS 器件，实现耐压与导通损耗的最优折中。

        综上，该团队制备了采用氮离子注入层实现电场屏蔽的 β-Ga₂O₃ 沟槽肖特基势垒二极管（TSBD），该器件克服了传统沟槽 MOS 势垒肖特基二极管（TMBS）导通通路受限、介质可靠性差等核心缺陷。离子注入屏蔽层可提供更大的导电区域，实现 7.32 mΩ・cm² 的低比导通电阻；同时有效抑制关键界面处的电场聚集，器件击穿电压高达 2.77 kV，巴利优值突破 1 GW/cm²。通过正向偏置、反向偏置、最高 600 K 高温热循环等多组可靠性测试证明，该器件性能衰减极小，可靠性优异。该研究表明，本文提出的 TSBD 器件在高温、高压电力电子场景中具备巨大应用潜力。

        本研究得到国家自然科学基金联合基金项目（项目编号：U23A20367）资助。

图 1. (a) β-Ga₂O₃ 沟槽肖特基势垒二极管截面示意图；(b) C-V 特性曲线，提取净掺杂浓度为 1.02 ×10¹⁶ cm⁻³

图 2. (a) 沟槽肖特基势垒二极管主要制备工艺流程；(b) 多能量注入下 β-Ga₂O₃ 内氮离子注入分布仿真结果；(c) 刻蚀沟槽结构扫描电镜图像；(d) 沟槽二极管俯视图光学照片，器件有源区面积 100 ×150 μm²

图 3. 平面型与沟槽型肖特基二极管正向 I-V 特性：(a) 半对数坐标；(b) 线性坐标；(c) 两种器件击穿特性对比；(d) 每种结构 10 支器件击穿电压统计箱线图

图 4. 6 V 正向偏置应力 0~1000 s 后沟槽二极管正向 I-V 特性：(a) 半对数坐标；(b) 线性坐标；(c) 理想因子 η 与势垒高度变化量 Δqϕ_B 随应力时间变化曲线；(d) 开启电压变化量 ΔV_on与比导通电阻变化量 ΔR_on,sp 随应力时间变化曲线

图 5. -200 V 关态反向应力 0~1000 s 后沟槽二极管正向 I-V 特性：(a) 半对数坐标；(b) 线性坐标；(c) 理想因子 η 与势垒高度变化量 Δqϕ_B 随应力时间变化曲线；(d) 开启电压变化量 ΔV_on 与比导通电阻变化量 ΔR_on,sp 随应力时间变化曲线

图 6. 300 K~600 K 区间沟槽二极管变温正向 I-V 特性：(a) 半对数坐标；(b) 线性坐标；(c) 理想因子 η 与肖特基势垒高度 qϕ_B 随温度变化曲线；(d) 开启电压 V_on 与比导通电阻 R_on,sp 随温度变化曲线

图 7. 器件初始 300 K、600 K 高温应力 5 h、降温恢复至 300 K 三种状态下电学特性：(a) 正向 I-V 曲线；(b) 反向 I-V 曲线

图 8. (a) 热循环测试流程示意图；多轮热循环后沟槽二极管正向 I-V 特性：(a) 半对数坐标；(b) 线性坐标；(c) 理想因子 η 与势垒高度变化量 Δqϕ_B 随循环次数变化曲线；(d) 开启电压变化量 ΔV_on 与比导通电阻变化量 ΔR_on,sp 随循环次数变化曲线

图 9. 现有先进 β-Ga₂O₃ 平面、沟槽肖特基二极管比导通电阻与击穿电压性能对标图

DOI ：

10.1109/ISPSD64561.2026.11553706