【国内论文】福州大学许晓锐、张海忠团队联合上海光机所齐红基研究员---具有悬浮场板辅助浅台面终端的高压Ga₂O₃垂直肖特基二极管

      本研究得到福建省自然科学基金（Grant No. 2024J01252）、福建省科技重大专项（Grant No. 2022HZ027006）以及福建省中青年教师教育科研项目（Grant No. JZ230003）的资助。

      β-氧化镓（β-Ga₂O₃）因其超宽禁带和高临界击穿电场等优异特性，在下一代高压功率器件开发中展现巨大潜力。垂直结构肖特基势垒二极管是 Ga₂O₃ 功率器件的基础构型之一。对于高压器件而言，核心挑战之一在于优化器件边缘的电场集中问题，以避免器件在远低于材料理论击穿极限的电压下发生过早击穿。终端技术是解决这一问题的关键。目前，浅台面终端和场板终端技术因其工艺相对简单而得到广泛关注。然而，单一浅台面终端技术提供的保护效果不足，阳极边缘仍存在高电场峰值；进一步结合场板结构可以显著改善上述情况，但存在场板介质层提前击穿的问题，限制了 Ga₂O₃ 材料高临界击穿电场优势在器件中的发挥。

      在本研究中，提出并制备了一种垂直 Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管（SFPM-SBD），其采用悬浮场板辅助浅台面终端结构。通过引入 Cl₂ 以促进 Ga₂O₃ 的各向同性刻蚀，开发了优化的自对准 ICP 刻蚀工艺，用于形成悬浮场板和浅台面复合终端结构。由于有效的终端结构，器件边缘的电场聚集现象得到显著缓解，因此制备的 SFPM-SBD 具有超过 3.5 kV 的高击穿电压。此外，在无金工艺中可获得 5.77 mΩ·cm² 的低比导通电阻，从而实现超过 2.12 GW/cm² 的高功率性能指标。SFPM-SBD 的另一大优势在于其较为简单的制备工艺，结合高性能特性，使该器件成为千伏应用的理想候选方案。

      ● 实现了悬浮场板辅助浅台面终端（SFPM）结构，用于提升 Ga₂O₃ 垂直二极管的耐压能力。

      ● 创新自对准刻蚀工艺，通过在 ICP 刻蚀中引入 Cl₂ 来实现 Ga₂O₃ 的各向同性刻蚀，从而能够简便、可控地制造出三维的悬浮场板结构。

      ● 整个器件制造流程采用了无金工艺，提升了该技术与现有主流半导体制造平台的兼容性。

      提出并制备了一种具有悬浮场板辅助浅台面终端结构的高压 SBD。通过在 ICP 刻蚀过程中引入Cl₂，增强了Ga₂O₃ 的各向同性刻蚀，从而同时制备了悬浮场板和浅台面终端结构。因此，SFPM-SBD 具有更均匀的电场分布，同时保持与典型台面终端 SBD 相同的简单工艺。实验结果表明，与台面终端 SBD 相比，SFPM-SBD 的击穿电压（BV）可从 1.75 kV 显著提升至 3.5 kV 以上，且结合相对较低的比导通电阻（R_on,sp）为 5.77 mΩ·cm²，实现了超过 2.12 GW/cm² 的高功率优值（PFOM）。本研究验证了 SFPM 终端技术在垂直 β-Ga₂O₃ 功率器件中的有效性，并为高电压 Ga₂O₃ 器件的开发展现了良好前景。

图1. (a) SFPM-SBD的截面示意图及制备工艺。 (b) 通过1/C²-V特性提取的载流子浓度。 (c) 器件阳极边缘的截面SEM图像。

图2. (a) 垂直 SBD 的正向 J-V 特性曲线，分别以半对数坐标和线性坐标表示，以及 (b) 计算得到的 R_on,sp 值。

图3. Ref-SBD、Mesa-SBD与SFPM-SBD的反向J-V特性对比