【国内论文】中山大学王钢教授团队：抑制反向漏电流的深台面终端β-Ga₂O₃结势垒肖特基二极管

        由中山大学王钢教授、裴艳丽教授、卢星教授联合华南理工大学、深圳信息职业技术大学的研究团队在学术期刊 Journal of Semiconductors 发布了一篇名为 Deep-mesa-terminated β-Ga₂O₃ Junction Barrier Schottky Diodes with Suppressed Reverse Leakage Current（抑制反向漏电流的深台面终端 β-Ga₂O₃ 结势垒肖特基二极管）的文章。

        随着高压、高功率及高频电力电子器件的发展，对半导体材料的耐压能力、导通损耗、关态漏电流以及开关速度提出了更高要求。β-Ga₂O₃ 具有超宽禁带（UWBG）特性，其理论巴利加优值（BFOM）约为 Si 的 3444 倍，同时可以通过熔体法实现大尺寸、低成本的本征衬底制备，因此被认为是下一代高压功率器件的重要候选材料。相比 MOSFET 等器件，肖特基势垒二极管（SBD）具有结构简单、制备工艺相对容易以及开关速度快等优势，在 β-Ga₂O₃ 功率器件中具有较高应用潜力。然而，目前 β-Ga₂O₃ SBD 的实际性能仍受到较高反向漏电流的限制，尤其是在大面积器件中更为明显。其反向漏电主要来源于两类机制。一方面，由于 β-Ga₂O₃ 与金属接触处肖特基势垒高度相对有限，在高电场作用下容易产生陷阱辅助隧穿以及场增强肖特基势垒隧穿，从而导致较大的界面漏电；另一方面，在器件阳极边缘区域存在明显的电场拥挤效应，使局部电场集中并诱发边缘漏电甚至提前击穿，而且随着器件面积增大，该问题更加突出。针对肖特基界面漏电问题，JBS 结构通过在阳极下方引入嵌入式 p 型区域，利用电场屏蔽作用降低肖特基界面的隧穿漏电，同时尽量保持较低的正向导通损耗；而针对边缘电场集中问题，则通常采用场板、JTE 或 Mesa 等终端结构进行电场调控。因此，如何在不显著增加导通损耗的情况下，同时解决 β-Ga₂O₃ 器件的肖特基势垒隧穿和边缘电场集中两类漏电问题，是实现高耐压、低漏电、大面积 β-Ga₂O₃ 功率二极管的关键。基于此，该研究提出将微米级深 Mesa 终端结构与埋入式 p-NiO 异质结 JBS 结构相结合，利用深 Mesa 降低器件边缘的局部电场，并通过 p-NiO 对阳极下方电场进行静电屏蔽，同时结合 SiO₂ 钝化/场板进一步调控表面电场，从而实现对两种主要反向漏电机制的协同抑制，为 β-Ga₂O₃ 高压、大电流整流器件的性能提升和大面积扩展提供新的结构设计方案。

        本文报道了一种采用深台面结的 β-Ga₂O₃ 结障肖特基（Mesa-JBS）二极管，该器件实现了高击穿电压（BV）和超低反向漏电流。所提出的结构集成了微米级深台面结以抑制边缘诱导的漏电流，并在阳极下方设置了埋入式 p-NiO 异质结以静电方式抑制肖特基势垒隧穿，从而同时抑制了与边缘相关的漏电流路径和肖特基势垒隧穿漏电流路径。小面积器件（0.2×0.2 mm²）在 1 kV 时展现出 1.96 kV 的击穿电压，反向漏电流密度低于 10⁻⁵ A/cm²。为了验证可扩展性，还制备并封装了大面积 Mesa-JBS 二极管（2×2 mm²），以实现大电流工作。这些器件在 3 V 时可提供 3.8 A 的正向电流，同时保持高达 1.2 kV 的击穿电压，且在 1 kV 时反向漏电流低于 20 nA（约 1×10⁻⁶ A/cm²）。这些结果证明，深台面端接的 JBS 二极管是用于高压、低损耗 β-Ga₂O₃ 功率整流器的一种极具前景且可扩展的解决方案。

        ① 提出 Deep-Mesa JBS 协同结构，将 >1 μm Deep Mesa 终端+埋入式 p-NiO 异质结结合，同时抑制肖特基势垒隧穿和边缘电场集中。

        ②小面积器件实现 2 kV 耐压，0.2×0.2 mm² 器件实现，BV=2 kV，1 kV 下漏电流密度 < 1×10⁻⁵ A/cm²。

        ③ 器件在提高 BV、降低反向漏电的同时，保持较低的 R_on,sp，实现了高压与低损耗之间较好的性能折中。

        已成功演示了具有深台面结尾端的 β-Ga₂O₃ JBS 二极管，该器件同时抑制了肖特基势垒隧穿和与边缘相关的反向漏电流。这种联合设计的结构，结合了微米级深台面结尾端和埋入式 p 型 NiO 异质结，实现了高击穿电压和超低关断状态损耗。小面积器件在 1 kV 时可达到 1.96 kV 的击穿电压，反向漏电流低于 1×10⁻⁵ A/cm²，而封装后的大面积二极管在 3 V 时可提供 3.8 A 的电流，并能承受高达 1.2 kV 的电压，漏电流低至 1×10⁻⁶ A/cm²。这些结果证明，Mesa-JBS 架构是面向下一代节能系统的高压、大电流 β-Ga₂O₃ 功率整流器的一种可扩展且稳健的实现路径。

        本研究部分由中国国家重点研发计划（项目编号：2024YFE0205300）资助；部分由国家自然科学基金（项目编号：62471504）资助； 部分由深圳市机构稳定支持项目（项目编号：20231127-114207001）资助；部分由高层次人才创业启动资金项目（项目编号：RC2024-008）资助；部分由中山大学光电子材料与技术国家重点实验室开放基金（项目编号：OEMT-2023-KF-05）资助。

图1.  以下结构的横截面示意图：(a) 所提出的无场板的 β-Ga₂O₃ Mesa-JBS 二极管，(b) 带场板的 β-Ga₂O₃ Mesa-JBS 二极管，(c) 传统 JBS 二极管，以及 (d) 带场板的 Mesa-PND 二极管。

图2. 在相同的 –1.5 kV 反向电压下，不同器件结构的模拟电场分布。（a）传统 JBS 二极管；β-Ga₂O₃ 中的最大电场（E_max）为 8.39 MV/cm。（b）无 SiO₂ FP 的 Mesa-JBS 二极管； 在 β-Ga₂O₃ 沟槽拐角处的 E_max 为 5.8 MV/cm。（c）带 SiO₂ FP 的台面型 JBS 二极管；在 β-Ga₂O₃ 沟槽拐角处的 E_max 为 5.8 MV/cm。（d）带 SiO₂ FP 和钝化层的台面型 JBS 二极管；SiO₂ 中的 E_max 为 6.8 MV/cm。

图3.  所提出的 β-Ga₂O₃ Mesa-JBS 二极管的制备工艺流程。

图4. (a) 制备的小面积传统 JBS、Mesa-JBS 和 Mesa-PND 二极管的线性尺度 I_F-V_F 特性曲线，以及 (b) 从中提取的 R_on,sp 值。(c) 这些小面积二极管的 I_R–V_R 特性对比。(d) 已报道的小面积（<0.5×0.5 mm²）β-Ga₂O₃ 和 GaN JBS 的 R_on,sp 与 BV（定义为漏电流密度为 10 mA/cm² 时的值）的基准图。

图5. (a) 具有 SiO₂ 前栅的大面积 Mesa-JBS 二极管的线性范围 I_F-V_F 特性曲线，以及 (b) I_R–V_R 特性曲线，并与相同面积的传统 β-Ga₂O₃ SBD 进行了对比。(c) 已报道的大面积 β-Ga₂O₃ 和 GaN 二极管（>0.9×0.9 mm²）的 BV（定义为漏电流密度为 10 mA/cm² 时的电压）与阳极面积的关系曲线。(d) 这些二极管在 –1 kV 时的反向漏电流随阳极面积变化的曲线。

DOI：

doi.org/10.1088/1674-4926/26050007