【会员新闻】西安电子科技大学郝跃院士团队论文入选ISPSD 2023——一种热电协同设计的Ga₂O₃ [100] 沟槽二极管

论文第一作者为李园副教授，通讯作者为郝跃院士

研究目的

        Ga₂O₃技术成熟的一个主要障碍是器件过热。尽管与[010]晶相沟槽侧壁相比，[100]晶相沟槽侧壁的k_T[010]更高，但具有[100]晶相沟槽的Ga₂O₃沟槽器件很少被采用，这是由于侧壁取向依赖性蚀刻损伤导致的最差的侧壁界面质量，即使在使用酸的湿蚀刻修复之后也是如此。优化沟槽的侧壁界面质量（OSIQ）不仅是优选的，也是全面提高Ga₂O₃沟槽器件电热性能的迫切需要。

研究方法 

        本研究首次提出了一种新的基于铁电介质的界面质量优化策略。分别制备了具有 HfO₂（TD1）和PZT（TD2 和 TD 3）的[010]沟槽（0°旋转）和[100]沟槽（90°旋转）的 Ga₂O₃沟槽二极管（图 1-4）。与使用湿法刻蚀修复技术的有限性不同，当在阳极上施加正向电压时，PZT 极化引起的内置电场被证明可以有效地缓解沟槽侧壁附近的负电荷捕获。此外，当自热效应产生时，由于较高的k_T[010]，无论是从 IV 测量下的电流水平还是相同正向功耗下的结温度来看，与[010]TDs 相比，OSIQ[100]TD2 和 3 都表现出更好的性能。

研究结果和意义 

        1) TD1（HfO₂）组：[100]晶相二极管 IV 特性较差，但结温较低。ⅰ) 在脉冲（trapping effect）和直流测量（self-heating effect）中，90°旋转 TD1 显示出比 0°旋转更低的电流（图 5）。ⅱ) 在相同的功耗下，90°旋转 TD1 的结温低于 0°旋转 TD2（图 6）.

        2) TD2 和 TD3（PZT）组：[100]晶相二极管更好的 IV 特性和更低的结温。ⅰ) 在脉冲和直流测量中，与 0°旋转相比，OSIQ 90°旋转 TD2 和 3 显示出更高的电流（图 7、8 和 10），OSIQ 和更高的k_T[010]共同促成了这一点。ⅱ) 在 3V 和 11V 之间，向下脉冲条件下的电流比向上脉冲条件下的更高（图 7（a）、（b）），这表明 TD2 和 TD3 的侧壁负电荷捕获条件得到了改善，但并没有完全缓解。对0°&90°（15V&16V）的TD2和0°&90°（15V&16.5V）的TD3 逐渐地施加预压应力，直到脉冲2测试中向下和向上的 IV 曲线正好重叠（图 7（c）、（d）），这表明刻蚀损伤引起的电荷捕获情况刚好得到改善。ⅲ) OSIQ 90°的 TD2 和 3 显示出更低的结温（图 11 和 12）.

        与[010]TD 相比，所提出的基于铁电介质的热电协同设计的Ga₂O₃[100]TD首次表现出更好的性能，这为Ga₂O₃沟槽器件的热电优化设计提供了巨大的潜力。