【国内论文】APL丨深圳大学宽禁带半导体功率器件刘新科研究员团队：氦诱导半绝缘微柱，实现氧化镓SBD二极管高压漏电流抑制

        由深圳大学刘新科教授团队在学术期刊Applied Physics Letters发布了一篇名为He-induced semi-insulating microcolumns for high-voltage leakage current suppression in β-Ga₂O₃ Schottky barrier diodes(氦诱导半绝缘微柱实现β-Ga₂O₃肖特基二极管高压漏电流抑制)的文章。

        β-Ga₂O₃拥有4.8-4.9 eV超宽禁带与8 MV/cm理论击穿电场，是下一代高压功率电子器件极具竞争力的候选材料。肖特基势垒二极管(SBD)凭借结构简单、导通损耗低、开关速度快的优势，是氧化镓功率器件的核心器件。但传统β-Ga₂O₃ SBD在高反向偏压条件下，受肖特基势垒降低等效应影响，会产生较大反向漏电流，限制器件耐压能力与工程实际应用。目前已有多种技术路径用于改善氧化镓器件漏电流特性，包括外延生长以及器件结构优化等方法；降低漂移层载流子浓度虽能一定程度优化反向特性，但会提升外延工艺难度，同时劣化正向导通性能。JBS结势垒肖特基、沟槽MOS/MIS器件可依靠电荷耦合、RESURF效应调制电场抑制漏电流，但JBS受限于β-Ga₂O₃缺少稳定p型掺杂；沟槽类器件工艺复杂、制备成本偏高。因此开发一套工艺简单、可有效抑制高压反向漏电流的SBD器件结构，是氧化镓功率器件领域亟待解决的关键问题。本工作提出氦离子注入构筑半绝缘微柱SIMC-SBD器件方案，在不显著增加工艺复杂度前提下实现高压低漏电，填补该技术路线的研究空白。

        高压器件中β-Ga₂O₃局部半绝缘区域，对调控界面电场、改善漏电特性具备关键作用。该团队利用氦离子注入，在n-Ga₂O₃基体内部引入高浓度的受主型缺陷，原位生成半绝缘微柱阵列。该半绝缘微柱可以有效降低肖特基结附近界面电场，缩减金属-半导体直接接触有效阳极面积，显著压制反向漏电流。通过SRIM仿真、HR-TEM、XPS、UPS、KPFM多手段表征证实，He离子注入会产生大量镓空位(V_Ga)和间隙He原子(He_i)的受主型缺陷，进而可补偿自由载流子，将局部n-Ga₂O₃转变为半绝缘状态；注入区域Ga₂O₃材料的导电性大幅下降。所制备的Ga₂O₃ SIMC-SBD器件，半绝缘微柱占总阳极面积28%，在反向电压1000 V条件下漏电流相比传统SBD降低接近2个数量级，并且器件击穿电压可达1807 V。该结构为兼顾高耐压、低漏电流的β-Ga₂O₃ SBD提供简单可行的实现路径。

        ①利用He离子注入在β-Ga₂O₃中原位生成由V_Ga、He_i受主型缺陷主导的半绝缘微柱阵列，局部区域实现半绝缘化。多尺度表征证实He离子注入带来材料功函数上升、载流子补偿效应，揭示了氦注入缺陷演化的规律。

        ②SIMC-SBD器件在1000 V的反向偏置下，反向漏电流较传统SBD降低约2个数量级，并且击穿电压保持在1807 V。

        ③半绝缘微柱重构界面电场、降低界面峰值电场；同时缩减阳极金属-半导体有效接触面积，减少漏电通路。阐明了该结构的漏电抑制机理。

        通过He离子注入向Ga₂O₃中引入高密度V_Ga和He_i受主型缺陷，可在肖特基阳极下方原位构建半绝缘微柱。半绝缘微柱一方面调制肖特基结附近电场分布，压低界面电场；另一方面缩减金属-半导体有效接触面积，两条路径协同抑制高压反向漏电流。制备的SIMC-SBD器件具有1807 V的击穿电压，4.1 mΩ·cm²的比导通电阻；在反向电压1000 V时漏电流相比传统SBD下降近2个数量级，关态功耗大幅下降；该缺陷工程诱导局部半绝缘策略，为β-Ga₂O₃高压功率肖特基器件提供全新设计思路。

        本研究得到国家重点研发计划(2024YFE0205100)、广东省基础与应用基础研究重大项目(2023B0303000012)、深圳市科技计划(SGDX20240115101802004)、深圳大学科学仪器开发项目(2024YQ003)、射频异质集成国家重点实验室自主课题(2025007)资助。

图1 (a) He离子注入形成半绝缘微柱结构示意图；(b) 传统Ga₂O₃ SBD器件结构示意图；(c) SIMC-SBD器件结构示意图；(d) SRIM仿真He离子在Ga₂O₃内部的分布；(e) He离子注入诱导空位缺陷分布。

图2 (a) β-Ga₂O₃截面的HR-TEM图；(b-g) 有无He注入区域HR-TEM与IFFT分析；(h-k) 有无He注入样品O 1s、Ga 3d的XPS谱图；(l) 各类缺陷模型的功函数；(m) UPS测试得到功函数对比；(n) KPFM表面电势测试结果。

图3 (a) 有无He注入Ga₂O₃材料层的I-V特性；(b) 传统SBD与SIMC-SBD正向J-V以及比导通电阻；(c) 两种器件在半对数坐标下的J-V曲线；(d) 理想因子与肖特基势垒高度；(e) C-V与1/C²-V测试曲线；(f) 漂移层净载流子浓度随深度的分布。

图4 (a) 室温下两类器件的反向J-V特性；(b) 器件的击穿电压统计分布；(c-f) SCLC、PF、VRH漏电输运模型拟合分析；(g-i) PF、VRH、SCLC漏电输运路径示意图；(j) 各类漏电机制特征关系汇总。

图5 (a) TCAD仿真的电场分布图(V_R=1000V)；(b) 器件截面切线上电场分布对比；(c) 与已报道的垂直/沟槽型SBD的R_ON,sp-V_BR性能对标；(d) 与已报道器件R_ON,sp-J_R(V_R=1000 V)性能对标。

DOI：

10.1063/5.0335140