【国际论文】APL丨美国加利福尼亚大学圣巴巴拉分校：具有取向依赖击穿电场的 Cr₂O₃/β-Ga₂O₃ 异质结二极管

        由美国加利福尼亚大学圣巴巴拉分校的研究团队在学术期刊 Applied Physics Letters 发布了一篇名为 Cr₂O₃/β-Ga₂O₃ heterojunction diodes with orientation-dependent breakdown electric field（具有取向依赖击穿电场的 Cr₂O₃/β-Ga₂O₃ 异质结二极管）的文章。

        β-Ga₂O₃ 作为一种极具前景的超宽禁带半导体材料，在绿色能源处理、人工智能数据中心及中压电力应用等领域展现出巨大的潜力。然而，由于其独特的单斜晶体结构，材料在不同方向上表现出显著的各向异性（如相对介电常数、热导率及临界电场等）。尽管前期研究广泛探索了利用 p 型氧化物（如 NiO 或 Cr₂O₃）与 β-Ga₂O₃ 构建异质结二极管以实现高压耐压，但针对块体生长 β-Ga₂O₃ 各可用晶向的击穿电场进行系统性对比与评估的研究仍相对缺乏。

        该团队报道了使用反应磁控溅射技术在高掺杂 β-Ga₂O₃ 体基板上制备 Cr₂O₃/β-Ga₂O₃ 异质结二极管的过程，并研究了 β-Ga₂O₃ 中高电场处理能力的取向依赖性。通过第一性原理计算方法，该团队计算了 β-Ga₂O₃ 在(110)和(011)取向上的相对介电常数，以准确提取表观电荷密度（N_D-N_A）并从电容-电压测量中分析击穿电场。在 n⁺（110）上制备的异质结二极管（Heterojunction Diodes，HJD）的击穿电场大于 10 MV/cm，最高可达 12.9 MV/cm，这是基于 β-Ga₂O₃ 的结中实验观察到的最高平行平面结电场。在(100)、(010)、(001)和(011)取向上的击穿电场分布范围分别为 5.13-5.26 MV/cm、5.10-7.05 MV/cm、2.70-3.33 MV/cm 和 3.88-4.38 MV/cm，这验证了低对称性单斜晶系 β-Ga₂O₃ 中平行平面结电场在击穿时的取向依赖性。本文中报告的平行平面击穿电场（E_Br,||）是在器件在 100 mA/cm² 电流密度下发生灾难性击穿时提取的，不应与作为漂移层掺杂浓度函数的临界电场（E_c）混淆，后者考虑了硅、碳化硅和氮化镓中电场依赖的碰撞电离系数。本研究可为需要高电场处理能力的高性能氧化镓基器件选择晶体取向提供指导。

        ①多晶向异质结的系统制备与各向异性验证：研究人员通过反应磁控溅射技术在 β-Ga₂O₃ 块体衬底的五种不同晶向（(100)、(010)、(001)、(110) 和 (011)）上成功制备了 Cr₂O₃/β-Ga₂O₃ 异质结二极管（HJDs），系统验证了低对称性单斜晶体中击穿电场的强烈各向异性分布。

        ②第一性原理计算补全关键介电常数：基于密度泛函微扰理论（DFPT），计算并获得了 β-Ga₂O₃ 沿 (110) 和 (011) 等晶向的相对介电常数，为准确提取表观载流子浓度及分析各晶向的击穿电场奠定了坚实基础。

        ③创纪录的超高平行平面击穿电场：实验表明，在 n⁺(110) 晶向上制备的异质结二极管实现了超过 10 MV/cm、最高达 12.9 MV/cm 的平行平面击穿电场，刷新了目前 β-Ga₂O₃ 基结器件中实验观测到的最高平行平面结电场纪录。

        ④明确晶向选择对器件性能的指导意义：通过在重掺杂衬底上评估各晶向的击穿电场，排除了低掺杂漂移层材料质量差异的干扰，为未来设计和优化具备高耐压、高电场承受能力的氧化镓功率器件提供了重要的晶向选择依据。

        综上所述，本研究展示了 Cr₂O₃/β-Ga₂O₃ 异质结二极管中击穿电场各向异性随取向的变化。通过第一性原理计算获得了 β-Ga₂O₃ 沿（110）和（011）取向的相对介电常数值。在（110）β-Ga₂O₃ 上获得的 12.9 MV/cm 平行平面击穿电场，是文献中基于 β-Ga₂O₃ 的结中实验观察到的最高击穿电场。

图1.(a)-(e)分别为单斜晶系 β-Ga₂O₃ 晶体在(100)、(010)、(001)、(110)、(011)取向下的单层 VESTA 示意图，其中实线包围的是晶胞。

图2. (a) n⁺ β-Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管示意图。(b) 高掺杂体硅基底上的 Cr₂O₃/β-Ga₂O₃ 异质结二极管，侧面描述了电场分布。(c) 直径 100 微米的 Cr₂O₃/β-Ga₂O₃ 垂直异质结二极管在体 β-Ga₂O₃ 的五个方向上的 J-V 特性。(d) 直径 100 微米的 n⁺ β-Ga₂O₃ 垂直异质结二极管在体 β-Ga₂O₃ 的五个方向上的半对数坐标 J-V 特性。

图3. (a) 提取了内建电势值的所制造 n⁺ β-Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管的 1/C² 与电压特性。(b) 从 n⁺ β-Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管（SBD）的 C-V 特性中提取的 n⁺ β-Ga₂O₃ 体衬底在所有五个方向上的表观电荷密度与深度分布。(c) 提取了内建电势值的在高掺杂体衬底上的所制造 Cr₂O₃/β-Ga₂O₃ 异质结二极管的 1/C² 与电压特性。

图4. Cr₂O₃/β-Ga₂O₃ 异质结二极管在 (a) (100)、(b) (010)、(c) (001)、(d) (110) 和 (e) (011) 体 n⁺ β-Ga₂O₃ 基板上的反向击穿特性，以及计算出的相应耗尽深度和器件击穿时的平行平面结电场。

DOI：

doi.org/10.1063/5.0348039