西电郝跃院士、张进成教授、周弘教授团队：采用HfO₂/SiO₂双层场板及MESA结构的2 kV β相氧化镓SBD

由西安电子科技大学郝跃院士、张进成教授、周弘教授领导的研究团队在学术期刊 Applied Physics Letters 发布了一篇名为 2 kV β-Ga₂O₃ Schottky diode with HfO₂/SiO₂ dual-layer field plate and mesa termination（采用 HfO₂/SiO₂ 双层场板及 MESA 结构的 2 kV β-Ga₂O₃ 肖特基二极管）的文章，其中第一作者为西安电子科技大学硕士研究生钟林海，冯欣副教授、周弘教授、张进成教授为该论文的共同通讯作者。

一、 项目支持

本工作得到以下基金资助：中国国家自然科学基金（项目编号 62304170 和 62374122）、广东省基础与应用基础研究基金（项目编号 2023B1515040024 和 2022A1515111137）、中央高校基本科研业务费（项目编号 ZYTS25302）以及西安电子科技大学学科交叉拓展特支计划专项基金（项目编号 TZJH2024057）。

二、 背景

β-Ga₂O₃ 作为一种超宽禁带半导体材料（Eg ≈ 4.9 eV），具有极高的临界击穿电场（≈8 MV/cm）和可观的电子迁移率（理论值 250 cm²/V·s），在高压、高功率电子器件领域表现出巨大潜力。相比 SiC 和 GaN，β-Ga₂O₃ 的单晶衬底可通过低成本、高质量的 HVPE 等方法制备，具备产业化可行性。在垂直型 β-Ga₂O₃ 肖特基二极管（SBD）研究中，为提升击穿电压（BV）与功率品质因数（PFOM = BV²/R_on,sp），研究者提出了多种终端结构优化方案，如离子注入、场板、NiO_x p–n 异质结终端、沟槽结构及高介电常数氧化物场板等。但传统 SiO₂ 或 Si₃N₄ 作为场板介质存在介电常数低、界面陷阱密度高的问题，难以有效发挥其全部潜力；而单一高-k 材料（如 HfO₂、BaTiO₃）虽可改善界面态，却因介电击穿性能有限，整体性能提升受限。

三、 主要内容

在本篇研究中，提出了一种具有双层场板和自对准刻蚀台阶（DFPM-SBD）的垂直 β-Ga₂O₃ 肖特基二极管（SBD）复合终端结构。通过将高介电常数 HfO₂ 与 SiO₂ 双层介质用作场板终端，可有效降低界面陷阱态，并显著缓解 β-Ga₂O₃ SBD 中的电场集中效应。此外，采用高硬度 Pt 金属作为蚀刻掩膜实施自对准蚀刻工艺，有效消除了对准偏差，从而有助于实现高击穿电压（BV）。实验结果表明，该 DFPM-SBD 实现了低导通电压为 0.68 V（@1 A/cm²）、理想因子为 1.07、肖特基势垒高度为 1.25 eV、低比导通电阻为 3.85 mΩ·cm²，并具有 2050 V 高击穿电压值，得到 Baliga 功率品质因数为 1.1 GW/cm²。此外，对 β-Ga₂O₃ SBD 的界面陷阱密度进行测量，结果显示 HfO₂ 层可将界面 D_it 从 1.16×10¹² 降低至 4.76×10¹¹ cm^-2·eV^-1，实现约 60% 的降低，且陷阱能级位于 E_C 下方 0.21–0.25 eV 范围内，时间常数为 4.46–8.36×10^-5 ms。因此，本工作为 β-Ga₂O₃ SBD 在高功率应用提供了重要的器件结构设计指导，对超宽禁带半导体的发展具有重要推动作用。

四、 总结

本工作通过深刻蚀台面与 HfO₂/SiO₂ 双层场板实现了高效边缘终端设计的垂直 β-Ga₂O₃ SBD，该器件展现出 1.1 GW/cm² 的高功率性能指标（PFOM）。其中自对准 MESA 结构结合双层介质场板的显著缓解了电场集中效应和提升界面质量，TCAD 仿真显示阳极边缘氧化镓材料内部临界电场仅 7 MV/cm，实现了比 β-Ga₂O₃ 理论击穿极限低约 15% 的临界电场值。此外，通过电导-频率分析验证，HfO₂ 钝化层可将界面陷阱密度从 1.16 × 10¹² 降低至 4.76×10¹¹ cm^-2·eV^-1，这些陷阱主要由刻蚀工艺引入，并表现为浅能级陷阱。因此，该工作表明高介电常数材料在提升 β-Ga₂O₃ SBD 性能方面具有极大潜力，而提出的双层场板叠加自对准 MESA 复合终端结构为下一代高功率、高压器件的设计提供了重要参考。

图1.（a）DFPM-SBD 的截面示意图。（b）DFPM-SBD 的 STEM 图像。（c）Ref-SBD 与 Mesa-SBD 的截面示意图。（d）DFPM-SBD 的光学显微镜图像。（e）Ref-SBD 与 DFPM-SBD 的归一化 C–V 以及 1/C²–V 曲线。（f）Ref-SBD 与 DFPM-SBD 的提取掺杂浓度 N_D–N_A。

图2.（a）Ref-SBD、Mesa-SBD 和 DFPM-SBD 的归一化直流正向 I_F–V_F 特性（线性坐标）及比导通电阻 R_on,sp–V_F 测量结果。（b）Ref-SBD、Mesa-SBD 和 DFPM-SBD 的归一化直流正向 I_F–V_F 特性（对数坐标）测量结果。（c）不同刻蚀深度（300、500 和 700 nm）Mesa-SBD 的归一化直流正向 I_F–V_F 特性（线性坐标）及比导通电阻 R_on,sp–V_F。（d）不同阳极面积 DFPM-SBD 的归一化直流正向 I_F–V_F 特性（线性坐标）及比导通电阻 R_on,sp–V_F。

图3.（a）阳极直径为 60 μm 的 Ref-SBD、Mesa-SBD 和 DFPM-SBD 的反向特性。（b）不同刻蚀深度的 Mesa-SBD 的反向特性。（c）不同阳极面积的 DFPM-SBD 的反向特性。（d）在反向偏压 2000 V 下，DFPM 器件的模拟临界电场分布。

图4.已报道的最先进 β-Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管（SBD）的比导通电阻（R_on,sp）与击穿电压（V_br）基准对比图。

图5. (a) DFPM-SBD在0.59至0.5 V正向偏压下的G_p/ω提取曲线，步长为0.01 V。(b)Mesa-SBD的G_p/ω提取曲线。(c) Ref-SBD的G_p/ω提取曲线。(d)器件的D_it–△E曲线。

DOI：

doi.org/10.1063/5.0287147

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