由復(fù)旦大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在學(xué)術(shù)期刊 Semiconductor Science and Technology 發(fā)布了一篇名為 Over 1.2 GW/cm² β-Ga₂O₃ SBD with V_br of 1.93 kV realized by O₂ plasma and annealing（通過 O₂ 等離子體和退火實(shí)現(xiàn)了超過 1.2GW/cm² β-Ga₂O₃ SBD，V_br 為 1.93kV）的文章。

1. 項(xiàng)目支持

該項(xiàng)研究得到了上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)資助 （Grant 23511102300 和 24DP1500105）。

2. 背景

β-氧化鎵（β-Ga₂O₃）因其超寬帶隙、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、可接受的電子遷移率以及可低成本大規(guī)模生產(chǎn)的潛力，被認(rèn)為是下一代功率半導(dǎo)體器件的有力競(jìng)爭(zhēng)者。然而，在實(shí)際器件設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)低開啟電壓（V_on）、低導(dǎo)通電阻（R_on,sp）和高擊穿電壓（V_br）三者的同時(shí)優(yōu)化一直面臨難以協(xié)調(diào)的物理瓶頸，這通常與界面質(zhì)量受損或缺陷產(chǎn)生有關(guān)。

3. 主要內(nèi)容

在這項(xiàng)研究中，通過應(yīng)用 O₂ 等離子體和退火處理（OPAT），β-Ga₂O₃ 肖特基勢(shì)壘二極管（SBD）的電性能得到了顯著提升。與對(duì)照器件相比，OPAT 處理后的 β-Ga₂O₃ SBD 在開啟電壓（V_on）、比導(dǎo)通電阻（R_on，sp）和擊穿電壓（V_br）方面表現(xiàn)更優(yōu)。此外，通過采用電子束蒸發(fā)的 Al₂O₃ 作為場(chǎng)板氧化物，表面擊穿電場(chǎng)從 2.19 MV/cm 提升至 4.09 MV/cm，這是通過 TCAD 模擬得出的結(jié)果。OPAT 場(chǎng)板 β-Ga₂O₃ SBD 在 1 A/cm² 的電流密度下實(shí)現(xiàn)了 0.52 V 的開啟電壓（V_on）、3.10 mΩ·cm² 的比導(dǎo)通電阻（R_on，sp）和 1.93 kV 的擊穿電壓（V_br）。其功率優(yōu)值達(dá)到了 1.2 GW/cm²。X 射線光電子能譜測(cè)量表明，OPAT 處理降低了氧空位的濃度，從而降低了器件的肖特基勢(shì)壘高度，進(jìn)而提升了 β-Ga₂O₃ SBD 的性能。這些結(jié)果表明，β-Ga₂O₃ 在低開啟電壓和高擊穿電壓的應(yīng)用中具有巨大的潛力。

4. 創(chuàng)新點(diǎn)

提出 OPAT 策略，將低功率 O₂ 等離子體（50 W，40 s）與空氣退火聯(lián)合使用，同步優(yōu)化界面與體內(nèi)缺陷。

實(shí)驗(yàn)首次實(shí)證 OPAT 能顯著降低 Schottky 勢(shì)壘高度（SBH），并減小氧空位比例（由 XPS 證實(shí)）。

結(jié)合電子束蒸發(fā)形成 FP 結(jié)構(gòu)，通過 lift-off 工藝避免傳統(tǒng)刻蝕帶來的損傷，提高可靠性。

TCAD 模擬顯示該方法可使表面最大電場(chǎng)由 2.19 MV/cm 提升至 4.09 MV/cm，有效分散電場(chǎng)分布，抑制擊穿。

與已有文獻(xiàn)對(duì)比，在不犧牲 R_on,sp 和 V_on 的前提下，實(shí)現(xiàn)接近 2 kV 的超高 V_br，刷新 β-Ga₂O₃ SBD性能記錄。

5. 結(jié)論

研究團(tuán)隊(duì)在 OPT 和 OPAT 對(duì) β-Ga₂O₃ SBD 性能的影響進(jìn)行了研究。XPS 測(cè)量表明，OPAT 會(huì)顯著降低 V_O 的相對(duì)百分比。TCAD 模擬表明，OPAT FP 樣品的表面電場(chǎng)幾乎是對(duì)照樣品的兩倍。OPAT FP 器件的 V_on 值為 0.52 V，R_on,sp 值為 3.10 mΩ·cm²，V_br 值為 1.93 kV。在達(dá)到 1.2 GW/cm² PFOM 的同時(shí)，它還保持了較低的 V_on。這些結(jié)果表明，利用 EBE 制造的 OPAT 和 FP 結(jié)構(gòu)在提高功率電子器件中 β-Ga₂O₃ SBD 的性能方面大有可為。

圖 1：(a) OPAT FP β-Ga₂O₃ SBD 的示意圖和 (b) 制作過程。用原子力顯微鏡測(cè)量的 (c) 對(duì)照樣品、(d) OPT 樣品和 (e) OPAT 樣品的表面形貌。

圖 2：（a）反向特性（b）對(duì)照、OPT、OPAT 和 OPAT FP β-Ga₂O₃ SBD 的統(tǒng)計(jì)圖。(c) R_on,sp vs V_br (d) V_on vs PFOM 的基準(zhǔn)圖，適用于最先進(jìn)的 β-Ga₂O₃ SBD。

DOI：

doi.org/10.1088/1361-6641/adcd24

本文轉(zhuǎn)發(fā)自《亞洲氧化鎵聯(lián)盟》訂閱號(hào)