【国际论文】美国国家可再生能源实验室丨热诱导 PtOx 界面层增强 Pt/β-Ga₂O₃ 垂直肖特基二极管的稳定性

        该研究由美国能源部 (DOE) 国家可再生能源实验室 (NREL) 根据 DE-AC36-08GO28308 号合同撰写，该实验室由 Alliance for Sustainable Energy, LLC 运营。能效与可再生能源办公室 (EERE)、先进材料与制造技术办公室为高温实验提供了资金，NREL 的实验室指导研发 (LDRD) 计划为高压实验提供了资金。C. Chae 和 J. Hwang 感谢俄亥俄州英特尔® 半导体教育与研究计划提供的显微镜分析资助。

        研究探讨了 Pt/β-Ga₂O₃ 场板肖特基二极管在高温下的长期稳定性，并评估了其在热循环与高温老化应力条件下的性能演变。器件特性表明，其性能对工作温度高度敏感，在 ± 3 V 和 600 °C条件下的 ON/OFF 电流比约为 10 倍。在室温至 350 °C 的 25 次热循环（历时 100 小时）后，器件的漏电流趋于稳定，尤其是在前 10 次循环后表现出明显的稳定性增强。这一现象可归因于 Pt/β-Ga₂O₃ 界面处自发形成的超薄 PtO_x 层，这一点已通过高分辨扫描透射电子显微镜（HR-STEM） 观察得到证实。此外，在350 °C 持续老化 10 小时后，器件在 −5 V 下的漏电流略微上升（从10⁻⁷ A 增加至 10⁻⁶ A），同时正向电流表现出一定的退化，这可能与欧姆接触的热力学不稳定性有关。研究揭示了 Pt/β-Ga₂O₃ 二极管在高温应力下的性能变化，并为预测该器件在传感与功率应用中的高温可靠性提供了理论依据。

        该团队研究了垂直 Pt/β-Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管（SBD）在反复热循环和长时间高温运行下的电学性能稳定性，模拟了高温下器件的实际工作条件。这些器件在室温下表现出优异的整流特性，开/关比约为 10¹⁰，击穿电压为 270 V。随着温度的升高，泄漏电流显著增加，在 600 °C 时开/关比降至约 10 倍，且在 15 V 时出现提前的电场击穿。热循环结果表明，这些器件在 350 °C 下经过 25 次循环（超过 100 小时）仍保持良好的热机械稳定性。在 350 °C 恒温运行 10 小时后，观察到泄漏电流逐渐增加，正向电流降低 2 倍，这归因于接触退化效应。扫描透射电子显微镜（STEM）分析表明，Pt/Ga₂O₃ 接触界面处形成的 PtO_x 层可抑制进一步的温度诱导扩散和界面反应，但可能会导致串联电阻增加。

        尽管 β-Ga₂O₃ 在能源应用中的高温传感器方面展现出巨大潜力，但击穿电压与结温之间的权衡仍是一个挑战。需要进一步的研究来明确这一权衡关系，并开发可靠的高温 β-Ga₂O₃ 基功率器件。全面的热循环研究对于评估温度波动对层疲劳和其他热致机械应力的影响至关重要。此外，对于设计用于更高功率密度的 β-Ga₂O₃ 器件，了解焦耳热对结温的影响至关重要，而 β-Ga₂O₃ 相对较低的热导率更是加剧了这一问题。有效的器件级热管理策略对于应对这些挑战将是必不可少的。

图 1. (a) 制作的垂直 HVPE (001) β-Ga₂O₃ 场板肖特基二极管结构示意图。(b) 不同焊盘尺寸的室温电流-电压 (J-V) 测量。插图显示室温下 300 μm 器件击穿电压为 270 V。

图 2. (a) 垂直肖特基势垒二极管的电容-电压（C-V）特性，显示内置电压为 0.87 eV。(b) 从 C-V 测量中提取的 (001) β-Ga₂O₃ 漂移层的实测净掺杂浓度。

DOI：

doi.org/10.1063/5.0251435