【会员论文】沟槽终端助力Ga₂O₃/金刚石异质结二极管耐压提升，西安理工大学胡继超教授团队仿真揭示优化规律

        由西安理工大学胡继超教授联合镓创未来半导体、西安电子科技大学彭博博士的研究团队在学术期刊《人工晶体学报》发布了一篇名为 Simulation study on electrical characteristics of Ga₂O₃/diamond heterojunction diode with trench termination（沟槽终端 Ga₂O₃/金刚石异质结二极管电学特性仿真研究）的文章。

        氧化镓（Ga₂O₃）作为第四代超宽禁带半导体，具备宽禁带、高击穿场强等优势，适用于高压功率器件，但存在难以实现有效 p 型掺杂、本征热导率极低的短板；将其与高热导率、可控 p 掺杂的金刚石异质集成能够同时改善散热与掺杂难题，现有研究仅聚焦二者异质薄膜制备、热特性优化，缺少针对决定器件耐压性能的终端保护结构研究，而沟槽终端可高效缓解边缘电场集中、提升耐压，因此本文引入沟槽终端结构，借助 Sentaurus TCAD 仿真探究沟槽几何尺寸与填充介质对 Ga₂O₃ 金刚石异质结 PiN 二极管击穿特性的调控规律。

        氧化镓（Ga₂O₃）因其宽禁带、高击穿场强等优异特性而受到广泛关注。然而，其本征热导率低及缺乏有效 p 型掺杂的短板限制了其在功率器件中的应用。将 Ga₂O₃ 与高热导率的 p 型半导体材料异质集成，被认为是解决上述问题的有效方案之一。金刚石材料具有极高的热导率，并且可以实现可控的 p 型掺杂，可用于与 n 型 Ga₂O₃ 构建异质结器件，从而够弥补 Ga₂O₃ 的不足。为提高 Ga₂O₃/金刚石异质结二极管的击穿特性，本文提出在 Ga₂O₃/金刚石异质结中引入沟槽终端结构，以期通过改善电场集中提升器件击穿电压。并利用 Sentaurus TCAD 仿真工具， 系统研究沟槽宽度、深度及填充介质对器件击穿电压的影响规律。仿真结果表明：增大沟槽宽度可显著提升击穿电压，从 347.8 V 提高至 1197.85 V，增幅达 244.4 %；随着沟槽深度增加，击穿电压进一步提升至 1334.51 V。在填充介质方面，对比空气、二氧化硅（SiO₂）、氧化铝（Al₂O₃）和二氧化铪（HfO₂）四种材料，SiO₂ 凭借其稳定 的电学特性及对击穿电压的显著提升效果，成为最佳介质选择。上述研究为 Ga₂O₃/金刚石器件的结构设计与性能优化提供了理论依据。

        ①结构创新：首次将沟槽终端结构应用于 Ga₂O₃/金刚石异质结 PiN 二极管，填补该类器件专用高压终端结构的研究空白，无沟槽器件击穿电压仅 347.8 V，优化后耐压提升至 1334.51 V。

        ②多参数系统量化仿真：完整定量分析沟槽宽度、深度两大几何参数，得到兼顾耐压、面积利用率与工艺难度的最优尺寸（宽度 6 μm、深度 7 μm），并结合电场云图揭示尺寸调控电场、扩展耗尽区的内在机理。

        ③四类填充介质对比优选：对比空气、SiO₂、Al₂O₃、HfO₂ 四种沟槽填充材料，基于高斯定理电场转移效应解释介电常数对耐压的影响，综合可靠性与耐压性能选定 SiO₂ 为最优填充介质。

        ④完备可信的仿真体系：仿真搭载 Slotboom 带隙、vanOverstraeten 碰撞电离等全套宽禁带半导体物理模型，配套 Ga₂O₃ 与金刚石精准材料参数，仿真结果物理机理清晰，可为同类器件终端设计提供理论依据。

        本文基于 Sentaurus TCAD 仿真平台，对具有沟槽终端结构的 Ga₂O₃/金刚石异质结 PiN 二极管进行了研究，系统分析了沟槽宽度、沟槽深度及填充介质对器件击穿特性的影响。研究结果表明，增大沟槽宽度能够有效缓解器件边缘电场集中现象，增大沟槽深度有利于耗尽区向纵向扩展，两者均可提高器件击穿电压，但其改善效果均呈现边际递减规律。对不同填充介质的比较结果表明，综合击穿性能、材料稳定性及介质击穿场强等因素，SiO₂ 是较优的沟槽填充材料。通过优化沟槽终端结构参数，器件击穿电压由 347.8 V 提高至 1334.51 V。研究表明，沟槽终端能够有效改善 Ga₂O₃/金刚石异质结 PiN 二极管的电场分布并提升其耐压能力，为 Ga₂O₃/金刚石异质结功率器件的终端优化设计提供了新的思路和理论参考。

图1 Ga₂O₃/金刚石异质结 PiN 二极管。(a)无终端结构;(b)沟槽终端结构

图2 器件的击穿电压（左轴）及击穿时器件的峰值电场强度（右轴）随沟槽宽度的变化图

图3 不同沟槽宽度下器件的击穿电场分布图

图4 器件的击穿电压（左轴）及击穿时器件的峰值电场强度（右轴）随沟槽深度的变化图

图5 不同沟槽深度下器件的击穿电场分布图

DOI：

10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2026.0065