【国内论文】合肥工业大学：p型SnO与n型β-Ga₂O₃异质结的能带结构及器件应用研究

        近期，合肥工业大学的研究团队分别在学术期刊 Journal of Semiconductors 与 Journal of Materials Chemistry C 发布了名为 Band alignment of SnO/β-Ga₂O₃ heterojunction and its electrical properties for power device application（SnO/β-Ga₂O₃ 异质结的带隙对齐及其在功率器件应用中的电学性能）和 SnO/β-Ga₂O₃ heterojunction barrier Schottky diodes for depressed reverse leakage current and improved breakdown voltage（用于降低反向漏电流和提高击穿电压的 SnO/β-Ga₂O₃ 异质结势垒肖特基二极管）的文章。

        本次的两项研究得到国家自然科学基金委员会（NSFC, No. 62074048）、安徽省重点研发计划（No. 2022f04020007）和安徽省自然科学基金（No. 2208085MF177）的资助。

        β-氧化镓（β-Ga₂O₃）是制造下一代功率器件的理想材料，但缺乏高质量的 p 型掺杂是其发展的核心瓶颈。为了构建 p-n 结，一个主流的替代方案是采用异质结结构，即将 n 型的 Ga₂O₃ 与其他 p 型半导体材料结合。 氧化亚锡（SnO）具有合适的带隙、较高的空穴迁移率和较低的制备温度，展现出巨大的潜力。在设计和优化异质结器件之前，必须首先精确地理解两种材料接触形成的界面能带结构（能带对齐）。 同时，将这种新型异质结应用于先进的器件结构，如异质结势垒肖特基（HBS）二极管，是验证其性能优势的关键。HBS 结构通过嵌入 p 型区来屏蔽肖特基界面电场，有望同时实现低开启电压和低漏电流。

        本系列研究系统地探讨了新型 p-SnO/n-β-Ga₂O₃ 异质结的基础物理特性和器件应用。通过 X 射线光电子能谱（XPS）技术，精确地测量了通过射频溅射在(010)取向 β-Ga₂O₃ 上生长的 SnO 薄膜所形成的异质结的能带对齐参数。实验确定，p-SnO 与 n-β-Ga₂O₃ 之间形成了 II 型（交错型）能带对齐。其价带带阶（VBO）为 1.15 eV，导带带阶（CBO）为 3.21 eV。巨大的价带和导带带阶理论上能够非常有效地阻挡电子和空穴的泄漏，为制造低漏电、高效率的电子器件提供了物理基础。基于上述基础研究，成功设计并制造了一款 p-SnO/n-β-Ga₂O₃ 异质结势垒肖特基（HBS）二极管。该 HBS 器件展现出卓越的综合性能，显著优于传统的肖特基二极管（SBD），开启电压（V_on）低至 0.59 V，与 SBD 相当，确保了低导通损耗。反向漏电流被成功抑制了超过三个数量级，证明了 p-SnO 层优异的屏蔽效果。击穿电压（BV）高达 1534 V，获得了 1.37 GW/cm² 的巴利加优值（BFOM）。

        ● 首次将新兴的 p 型氧化物半导体 SnO 引入到 β-Ga₂O₃ 功率器件中，为解决 p 型掺杂瓶颈提供了一个非常有前景的新方案。

        ● 首次通过实验精确地确定了 p-SnO/n-β-Ga₂O₃ 异质结的能带对齐为 II 型，并给出关键的带阶参数，为后续器件设计提供了理论依据。

        ● 首次成功地制造出基于 p-SnO 的 β-Ga₂O₃ HBS 二极管，并实验证明了其性能优势，即在不牺牲开启电压的前提下，能够大幅降低漏电流并实现高击穿电压。

图1. a) 垂直 SnO/β-Ga₂O₃ HJD 的截面示意图和 (b) 顶视光学显微照片。 (c) Sn 3d 核心能级光谱和 (d) O 1s 核心能级光谱的 SnO 薄膜。

图2 (a) 经典垂直 β-Ga₂O₃ JBS二极管的截面示意图和(b) 顶视光学显微照片。 (c) 从(b)中提取的圆形 p-SnO 薄膜的高度分布图。 (d) 沉积的 SnO 薄膜的 XRD 谱图。(e) Sn 3d  和 (f) O 1s 核心能级 XPS 光谱图。

SnO/β-Ga₂O₃ heterojunction barrier Schottky diodes for depressed reverse leakage current and improved breakdown voltage

DOI：doi.org/10.1039/d5tc01355k

Band alignment of SnO/β-Ga₂O₃ heterojunction and its electrical properties for power device application

DOI：doi.org/10.1088/1674-4926/25020008