【国内论文】ISPSD 2026丨中国科学技术大学龙世兵教授团队：β-Ga₂O₃肖特基势垒二极管的面积放大研究：实现62 A浪涌电流与1.9 kV击穿电压

        由来自中国科学技术大学龙世兵教授的研究团队在会议 2026 IEEE 38th International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs (ISPSD) 发布了一篇名为 Area Scaling-up of β-Ga₂O₃  Schottky Barrier Diodes Achieving 62 A Surge Current and 1.9 kV Breakdown Voltage（β-Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管的面积放大研究：实现 62 A 浪涌电流与 1.9 kV 击穿电压）的文章。

        氧化镓（β-Ga₂O₃）属于超宽禁带半导体材料，禁带宽度约 4.8 eV，理论击穿场强可达 8 MV/cm，同时可制备大尺寸商用衬底，在下一代高压功率开关器件领域具备极强应用潜力。基于 β-Ga₂O₃ 制备的肖特基势垒二极管（SBD）为单极型器件，天然兼具低开关损耗、高耐压、芯片体积小等优势，现有研究通过电场调控结构优化已将器件击穿电压提升至 2 kV 以上。

        面向大功率电力电子装备，二极管不仅需要关态下承受高压，还要求开态承载大电流，因此必须扩大芯片有源区面积实现扩流。但现有大面积 β-Ga₂O₃ 肖特基二极管存在核心瓶颈：晶圆表面存在线型多晶、纳米沟槽、穿透位错等致命缺陷，芯片面积增大后与缺陷相交概率大幅提升，诱发提前击穿，同时器件比导通电阻与耐压之间的折中特性显著恶化。

        现有缺陷抑制方案存在明显短板：调控外延晶向仅能在材料层面减少缺陷，未完成器件级验证；高温退火虽可钝化表面缺陷，但会降低漂移区有效掺杂浓度，导通损耗大幅上升。氩等离子体表面重构技术已有文献证实可修饰 β-Ga₂O₃ 表面，但尚未在大功率大面积二极管中验证缺陷抑制效果。针对上述痛点，本文提出氩等离子体处理联合氧气退火的晶圆级表面改性方案，配合 JTE 结终端结构，实现大面积高浪涌耐受 β-Ga₂O₃ 肖特基二极管制备。

        β-Ga₂O₃ 超宽禁带特性使其肖特基势垒二极管（SBD）具备优异的功率优值。但器件面积增大后，由缺陷引发的提前击穿问题会愈发严重，极大限制器件扩流能力与浪涌耐受性能。本文采用氩等离子体处理结合氧气退火工艺钝化表面缺陷，实现可大面积扩流的大电流 β-Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管。基于该晶圆级表面处理工艺，搭配结终端扩展（JTE）结构，制备出有源区面积为 3×3 mm² 的 β-Ga₂O₃ 肖特基二极管。该器件在 2 V 正向电压下可输出 13.1 A 正向电流，击穿电压达 1938 V。得益于器件成功大面积扩流，器件最大浪涌电流可达 62 A，峰值浪涌功率 662 W。

        ①提出氩等离子体处理+氧气退火复合晶圆级表面改性工艺，最高可将 β-Ga₂O₃ 表面致命缺陷密度降低两个数量级，解决大面积器件扩流时提前击穿的核心难题；高功率氩等离子体加剧表面粗糙度，后续 400 ℃ 氧气退火可修复表面平整度，不损伤漂移区掺杂浓度。

        ②揭示氩等离子体调控肖特基势垒高度的物理机制：等离子体提升材料表面电子亲和能，使势垒高度最高降低 0.31 eV，器件开启电压下降，正向导通性能提升；且该工艺制备的二极管势垒高度、开启电压温漂更小，高温界面稳定性更强。

        ③结合 p-NiO 基 JTE 结终端结构，制备有源区 3×3 mm² 超大面积 β-Ga₂O₃ 肖特基二极管，静态性能达到 2 V 正向电流 13.1 A、击穿电压 1938 V，在同尺寸大面积氧化镓二极管中综合性能领先。

        ④器件具备极强浪涌耐受能力：最大浪涌电流 62 A、峰值浪涌功率 662 W、最大耐受浪涌能量 3.1 J；反向恢复特性对标商用 SiC 肖特基二极管，远优于硅快恢复二极管，开关损耗极低。

        ⑤完成翻转芯片封装验证，实现兼具高压、大电流、高浪涌耐量、超快开关特性的单片 β-Ga₂O₃ 功率二极管，验证其大功率电力电子场景实用化潜力。 

        综上，氩等离子体处理能够有效降低 β-Ga₂O₃ 表面致命缺陷密度，从而在扩大器件有源区面积的同时，不会恶化器件的反向耐压特性。依托该工艺，本文制备出有源区尺寸为 3×3 mm² 的大尺寸 β-Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管，器件可实现 13.1 A 的额定正向电流、1938 V 以上耐压，拥有 12.8 ns 以内的快速反向恢复特性，同时具备最高 62 A、662 W 的强浪涌耐受能力。该研究充分证明，面向大功率实际应用场景制备高可靠性大面积 β-Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管具备可行性。

        本研究受国家自然科学基金（批准号：624B2134、62404214、62474170、U23A20358、62234007）、国家重点研发计划（2024YFE0205200）、江苏省科技重大专项（BG2024030）资助；部分实验在中国科学技术大学微纳研究中心完成。

图 1 (a) 大面积 (≥1 mm²) 与小面积 β-Ga₂O₃ 肖特基二极管性能对比基准图；(b) 氢化物气相外延商用 β-Ga₂O₃ 晶圆致命缺陷汇总，NSG：纳米沟槽，TD：穿透位错

图 2 (a)~(f) 不同射频功率氩等离子体处理后 (001) 晶向 β-Ga₂O₃ 外延层局部腐蚀坑分布；图中沿 [010] 取向的条状结构为线型缺陷，是本文主要抑制的缺陷类型

图 3 氩等离子体辅助表面原子迁移重排原理示意图

图 4 不同射频功率氩等离子体处理并经氧气退火后的 β-Ga₂O₃ 外延层均方根表面粗糙度，插图为 2×2 μm² 原子力显微镜形貌图

图 5 不同射频功率条件下 β-Ga₂O₃ 肖特基二极管的正向电流密度-电压（J–V）特性曲线：（a）线性坐标；（b）半对数坐标；（c）不同射频功率处理后提取的势垒高度；（d）理想因子；（e）未经氩等离子体处理的 β-Ga₂O₃ 晶圆的紫外光电子能谱（UPS）；（f）经氩等离子体处理的 β-Ga₂O₃ 晶圆的 UPS

图 6 半对数坐标下温度依赖正向 J-V 特性：(a) 无氩等离子体处理器件，(b) 氩等离子体处理器件；不同温度提取的 (c) 开启电压、(d) 势垒高度

图 7 (a) 3×3 mm² 大面积 β-Ga₂O₃ 肖特基二极管结构示意图；(b) 封装器件正向电流-电压曲线，插图为封装器件光学照片；(c) β-Ga₂O₃ 肖特基二极管反向击穿特性；(d) 大面积 (≥1 mm²)β-Ga₂O₃ 肖特基二极管与结势垒二极管 2 V 正向电流-击穿电压性能对比

图 8 浪涌测试仪 (HUSTEC-1200A-IFSM) 测试得到 β-Ga₂O₃ 二极管浪涌 (a) 电流波形、(b) 电压波形；(c) 不同幅值波形提取的浪涌功率，峰值功率 662 W；(d) 不同幅值下器件浪涌电流-电压轨迹曲线；(e) 提取的器件耐受浪涌能量

图 9 (a) 反向恢复测试平台实物图，(b) 测试电路原理图；(c) 本文 β-Ga₂O₃ 肖特基二极管、商用 650 V 等级 SiC 肖特基二极管 (FFSP0465A)、硅快恢复二极管 (DSEP15-06B) 反向恢复特性对比

DOI ：

10.1109/ISPSD64561.2026.11553647