【国内论文】中山大学裴艳丽教授团队---低漏电流β-Ga₂O₃自对准沟槽结势垒肖特基二极管

        由中山大学裴艳丽教授研究团队在学术期刊 IEEE Transactions on Electron Devices 发布了一篇名为 Low Leakage Current β-Ga₂O₃ Self-Aligned Trench Junction Barrier Schottky Diodes（低漏电流 β-Ga₂O₃ 自对准沟槽结势垒肖特基二极管）的文章。

        本研究部分经费由中国国家重点研发计划（Grant No. 2024YFE0205300）；吉林省科技发展计划项目（Grant No. YDZJ202303CGZH022）；国家自然科学基金委员会（Grant No. 62471504）；深圳稳定支持计划项目（Grant No. 20231127114207001）；高层次人才创业基金项目（Grant No. RC2024-008）； 以及中山大学光电材料与技术国家重点实验室开放基金（Grant No. OEMT-2023-KF-05）的共同资助。

        β-氧化镓（β-Ga₂O₃）因其超宽禁带和高击穿场强等优势，是制造高压功率二极管的理想材料。结势垒肖特基二极管（JBS）是一种先进的器件结构，其通过在肖特基接触下方周期性嵌入 p 型区域，实现了肖特基二极管的低导通电压与 p-n 结二极管的低反向漏电流两大优势的融合。在反向偏压下，p-n 结形成的耗尽区会扩展并合并，从而屏蔽肖特基界面，使其免受高电场的影响，显著抑制漏电流。沟槽结势垒肖特基（TJBS）结构将 p 型区置于沟槽中，能够提供更有效的屏蔽效果并提高器件的集成密度。然而，制造 TJBS 这种复杂的结构，特别是要精确地将 p 型沟槽与顶部的肖特基接触对准，通常需要多步复杂的光刻和刻蚀工艺，这增加了制造成本和工艺难度。

        展示了 β-Ga₂O₃ 自对准沟槽结势垒肖特基（TJBS）二极管的制备，该二极管具有高击穿电压（BV）和抑制的反向漏电流。具体而言，微米级深沟槽以肖特基阳极金属为刻蚀掩模加工形成，随后在其表面覆盖了一层 p 型氧化镍（NiO）薄膜。实验结果显示，在小面积器件（0.43×0.43 mm²）中，器件击穿电压突破 2 kV，且直至击穿前反向漏电流密度始终维持在约 10^-5 A/cm² 的超低水平。通过 TCAD 仿真分析进一步证实，覆盖 p 型 NiO 的深沟槽结构能有效降低器件表面电场强度，并提供充分的 p 型屏蔽效应。此外，封装后的大面积 β-Ga₂O₃ TJBS 二极管（3×3 mm²）表现出 15 A 正向电流（IF）与 820 V 击穿电压（BV）的优异性能。研究结果充分证明，自对准 TJBS 结构为解决大面积器件的反向漏电流问题、提升高电流承载能力提供了关键技术路径。

        ● 实现了一种新颖的自对准工艺，用于制造复杂的 β-Ga₂O₃ 沟槽结势垒肖特基（TJBS）二极管。

        ● 在同一器件中实现了高击穿电压（> 2 kV）和超低漏电流（~10⁻⁵ A/cm²）的优异组合，对于高效功率整流器至关重要。

        ● 这种自对准方法无需在阳极金属和沟槽之间进行额外且关键的光刻对准步骤，从而简化了制造流程，降低了工艺复杂性并提高了成品率。

        本研究介绍了 β-Ga₂O₃ 自对准 TJBS 二极管的制备，其特点是具有高击穿电压（BV）和低反向漏电流。该二极管的核心结构为微米级深沟槽——其以肖特基阳极金属作为刻蚀掩模加工形成，随后在沟槽表面覆盖了一层 p-NiO 薄膜。实验结果显示，小面积二极管（0.43 × 0.43 mm²）实现了超过 2 kV 的 BV 值，反向漏电流密度低至 10⁻⁵ A/cm²。TCAD 模拟验证了这些 p-NiO 覆盖的沟槽有效缓解了表面电场，并提供了强大的 p 型屏蔽作用。此外，大面积 β-Ga₂O₃ TJBS 二极管（3 × 3 mm²）展现出 15 A 的 IF 和 820 V 的 BV。这些发现表明，自对准 TJBS 结构为降低反向漏电流和提升大面积器件的高电流处理能力提供了关键洞察。

图 1. （a）采用自对准技术制造的 β-Ga₂O₃ 沟槽结势垒肖特基二极管（TJBS）的横截面示意图及其制造过程中的关键步骤。（b）展示 1.1 µm 深沟槽 TJBS 二极管的横截面扫描电子显微镜（SEM）图像，其 fin 宽度为 3 µm。（c）封装后的大面积β-Ga₂O₃ TJBS 二极管。（d）β-Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管（SBD）和异质结二极管（HJD）的横截面示意图，两者均具有相同的 170 µm 阳极直径。（e）β-Ga₂O₃ SBD 的 C-V 特性以及提取的 N_D − N_A 分布。

图2. (a) 小阳极面积的 β-Ga₂O₃ TJBS 二极管的正向导通特性及 (b) BV 特性。（c）BV下的漏电流密度与已报道BV的对比关系，以及（d）已报道小面积 β-Ga₂O₃ JBS、GaN JBS和AlN SBD（面积＜0.5×0.5 mm²）的导通电阻（R_ON,sp）与BV（定义于漏电流密度为100 µA/cm² 时）的基准对比图。

DOI：

doi.org/10.1109/TED.2025.3571880