近期，由西安電子科技大學的研究團隊在學術期刊 Applied Physics Letters 發布了一篇名為 3 kV fully vertical β-Ga₂O₃ junction termination extension Schottky barrier diode with sputtered p-GaN（3 kV 全垂直 β-Ga₂O₃ 結終端擴展肖特基勢壘二極管與濺射 p-GaN）的文章。

1. 項目支持

該項研究得到了國家自然科學基金（Grant No. 62474135、62104184、62234009、62090014 和 62404165）、中國博士后創新人才支持計劃（Grant No. BX20200262）、中國博士后科學基金（Grant No. 2021M692499 和 2023M732730）、中國博士后科學基金特別資助項目（Grant No. GZB20230557）以及陜西省自然科學基礎研究計劃（Grant No. 2024JC-YBQN-0611）的支持。

2. 主要內容

研究團隊制備了一種全垂直 p-GaN/n-Ga₂O₃ JTE-SBD，并系統研究其電學性能。實驗結果表明，該器件在 0.8V 的導通電壓（V_on）下，具有 6.15 mΩ·cm² 的特定導通電阻（R_on,_sp），3 kV 的擊穿電壓（BV），以及 1.46 GW/cm² 的巴利加優值。此外，I-V-T 測試表明，該器件的反向泄漏電流機制在不同偏壓下由 Poole–Frenkel 效應（PF）向可變范圍跳躍導電機制（VRH）過渡，揭示了 p-GaN 層對電場調控的作用。

3. 實驗細節

(1)   結構與制備工藝

采用 EFG 法生長 650 μm 厚 n⁺-Ga₂O₃（ND：4.5×10¹⁸ cm^-3）；

采用 HVPE 法制備 10 μm 厚 n^--Ga₂O₃（ND：2×10¹⁶ cm^-3）。

采用濺射方法沉積 500 nm 厚的 p-GaN，濺射功率 200W。

在 N₂ 氣氛中進行 750°C 退火 10 分鐘，以激活 Mg 摻雜。

選擇性蝕刻 p-GaN 以暴露肖特基接觸區域。

陽極濺射 Ni/Au（45/400 nm）。

陰極濺射 Ti/Al/Ni/Au（20/160/55/45 nm）。

(2)測試與分析

在 1 MHz 頻率下測量電容-電壓（C-V）特性，并通過 1/C²-V 曲線提取內建電勢（V_bi,0）。

計算得到 JTE-SBD 的肖特基勢壘高度（qΦ_b）為 1.113 eV，相比參考 SBD（Ref-SBD）的 1.011 eV 略高。

導通電壓 V_on = 0.8V，開/關電流比（I_on/I_off）> 10⁸。

由于陽極邊緣 p-n 結的屏蔽效應，R_on,sp 從 5.51 mΩ·cm² 上升至 6.15 mΩ·cm²。

使用 Silvaco 仿真，發現 JTE 結構使肖特基接觸邊緣的峰值電場從 8 MV/cm 降低至 6 MV/cm，有效抑制了局部擊穿。

在 50°C 至 250°C 之間測量 I-V 特性，發現 R_on,sp 隨溫度上升線性增加，每升高 1°C，R_on,sp 增加 0.032 mΩ·cm²。

4. 總結

研究團隊提出采用濺射 p-GaN 制備全垂直 p-GaN/n-Ga₂O₃ JTE-SBD。該 JTE-SBD 實現了 3 kV 的 BV 和 1.46 GW/cm² 的 BFOM。進行了 I-V-T 測試以分析 JTE-SBD 的漏電流傳輸機制。結果表明，在 -1 至 -20 V 范圍內，勢壘熱發射（PF）是主要機制，發射勢壘 qφ_t 為 0.74 eV。在 20 至 200 V 范圍內，聲子輔助隧穿（VRH）成為主要機制。

5. 實驗圖示

圖 1. (a) p-GaN/n-Ga₂O₃ JTE-SBD 的結構示意圖和制造工藝圖。(b) 以 52° 的傾斜角和 2700 倍的放大率拍攝的 JTE-SBD 掃描電鏡圖像。(c) 對藍寶石襯底上濺射的 p-GaN 中鎂元素分布的 SIMS 分析。(d) 5 nm 尺度的濺射 p-GaN HRTEM 分析。(e) 對濺射 p-GaN 的 SAED 測試。

圖 2. (a) p-GaN/n-Ga₂O₃ JTE-SBD 的 C-V 和 (b) 1/C²-V 特性。(c) 從 C-V 測量中提取的 n^--Ga₂O₃ 漂移層 N_D-N_A。

DOI：

doi.org/10.1063/5.0243637

本文轉發自《亞洲氧化鎵聯盟》訂閱號