【会员论文】西安电子科技大学郝跃院士、张进成教授团队---W/Au β-Ga₂O₃肖特基二极管的势垒不均匀性与电学特性

        近期，由西安电子科技大学的研究团队在学术期刊 Micromachines 发布了一篇名为 The Barrier Inhomogeneity and the Electrical Characteristics of W/Au β-Ga₂O₃ Schottky Barrier Diodes（W/Au β-Ga₂O₃ 肖特基二极管的势垒不均匀性与电学特性）的文章。

        该研究得到了国家杰出青年科学基金（61925404）、国家重点研发计划（2022YFB3604400）、国家自然科学基金（62104185、62074120、62404167）、中国博士后科学基金（GZC20241306）和陕西省自然科学基础研究计划（2023-JC-JQ-56）的资助。

        该团队基于 β-Ga₂O₃（氧化镓）材料对肖特基势垒二极管进行研究。β-Ga₂O₃ 是一种带隙宽达 4.8 eV 的超宽禁带半导体材料，具有良好的热化学稳定性和高击穿电压，被认为是下一代高功率、高频电子器件的重要候选材料。然而，β-Ga₂O₃ 的金属接触区域往往表现出肖特基势垒高度不均匀性，这会影响器件的电学性能和可靠性。因此，研究金属/β-Ga₂O₃ 界面的势垒特性及其分布规律，对于提升器件性能具有重要意义。

        在该项工作中，研究了以 W/Au 作为肖特基金属的 Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管 (SBD) 的电学特性。通过 450 °C 阳极后退火（PAA），β-Ga₂O₃ 表面的氧空位缺陷减少，从而改善了 W/Au Ga₂O₃ 肖特基二极管的正向特性，击穿电压显著提高，PAA 处理后击穿电压从 400 V 提高到 625 V，提高了 56.25%。此外，利用热离子发射（TE）模型结合势垒高度的高斯分布，分析了势垒高度和意向系数的温度依赖性。退火后，表观势垒高度标准偏差从 112 meV 降至 92 meV，表明势垒高度波动减小。同时，对敷设和退火样品计算出的修正理查德森常数与理论值非常接近，这表明利用高斯势垒高度分布的 TE 模型可以准确解释 W/Au Ga₂O₃ SBD 的势垒不均匀性。

        •引入高斯分布模型分析界面势垒，相比传统的理查森图方法，该方法更准确地反映了实际中势垒高度的不均匀性。

        •系统分析 I–V 和 C–V 之间的差异，揭示 C–V 测量更能代表全区域平均特性，而I–V更容易受局部低势垒主导。

        •揭示反向电流的非理想机制，表明其可能来源于热场发射（TFE）或陷阱辅助隧穿（TAT），而非单纯的热发射行为。

        该团队研究了以 W/Au 作为肖特基金属的 β-Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管的电气特性。由于经过 450 °C 阳极后退火，β-Ga₂O₃ 表面的氧空位缺陷减少，导致表面电位降低。势垒高度的增加和泄漏路径的减少改善了 W/Au-Ga₂O₃ SBD 的特性，而击穿电压则增加了 56.25%，在 PAA 处理后从 400 V 上升到 625 V。此外，在 300 K 至 450 K 的温度范围内，还观察到了势垒高度和理想因子的温度依赖性，这归因于势垒的不均匀性。热离子发射模型与势垒高度的高斯分布相结合，用于解释这种温度依赖性。研究发现，后退火可将势垒高度波动从 112 meV 降低到 92 meV。经修正的理查德森常数分别为：淀积样品 42.59 A/cm²K²，PAA 处理样品 42.83 A/cm²K²，两者都非常接近 β-Ga₂O₃ 的理论理查德森常数。这些结果表明，W/Au-Ga₂O₃ SBD 的势垒不均匀性可以用具有高斯势垒高度分布的 TE 模型来有效描述。

图 1：（a）制作的 W/Au Ga₂O₃ SBD 的横截面结构示意图；（b）Ga₂O₃ SBD 的制作过程。

图 2：(a) W/Au Ga₂O₃ SBD 的正向 J-V 特性和 (b) 含 PAA 样品的反向 BV 特性。

DOI：

doi.org/10.3390/mi16040369