【会员论文】JAC丨厦门大学杨伟锋教授：氧化镓异质结二极管的协同功函数调制和界面陷阱抑制协同作用改善器件性能

        由厦门大学杨伟锋教授的研究团队在国际学术期刊Journal of Alloys and Compounds发布了一篇名为 Synergistic work function modulation and interface traps suppression in CuCrO₂/β-Ga₂O₃ p-n heterojunction diodes through oxygen vacancy passivation（通过氧空位钝化实现 CuCrO₂/β-Ga₂O₃ p-n 异质结二极管的协同功函数调制和界面陷阱抑制）的文章。

        氧化镓作为一种新兴的超宽禁带半导体，凭借其 4.9 eV 的宽带隙和 8 MV/cm 的高临界击穿场强，在下一代高功率电子器件领域展现出巨大潜力。此外，它支持大尺寸晶圆的熔融生长，具备工业化低成本生产的优势。然而，由于空穴的高度局域化，实现有效的p型掺杂仍是制约其发展的核心瓶颈。为了克服这一限制，将 Cu₂O、SnO、NiO 等 p 型材料与 n 型 β-Ga₂O₃ 集成构建异质结二极管（HJDs）已成为主流策略。其中，铜铁矿结构的CuCrO₂因其高透光率、优异的热稳定性及可控的载流子浓度，被认为是极具前景的 p 型透明氧化物 。然而，采用磁控溅射制备的CuCrO₂薄膜通常含有高密度的本征缺陷，尤其是氧空位（V_O）。这些氧空位作为施主态会补偿受体，抑制p型电导率，且界面或体相中与V_O相关的陷阱会捕获载流子、增强复合并增加漏电流，从而恶化器件的整流特性和长期稳定性。目前，关于CuCrO₂/β-Ga₂O₃异质结中受陷阱限制的输运过程仍缺乏深入理解。因此，探索有效的界面与体相优化策略，对于开发高效率、高可靠性的氧化镓基功率整流器至关重要。

        该研究报道了一种基于CuCrO₂/β-Ga₂O₃异质结的垂直结构p-n二极管（HJDs），并利用氧等离子体处理工艺实现了对器件界面与体相性能的协同调控。实验结果表明，氧等离子体处理显著钝化了CuCrO₂表面及体内的氧空位（V_O），并促使Cu⁺向Cu²⁺氧化。得益于氧空位的有效抑制与空穴浓度的提升，Ni/CuCrO₂的比接触电阻率降低以及器件的比导通电阻从6.4 mΩ⋅cm²降低至5.2 mΩ⋅cm²。在反向特性方面，器件的击穿电压从1110 V 大幅提升至 1785 V。开尔文探针力显微镜（KPFM）表征证实，等离子体处理使 CuCrO₂的功函数从 4.99 eV 增加到 5.18 eV ，使内置电势从 2.04 V 提升至 2.16 V ，从而有效增强了整流势垒。此外，界面态密度从7.98×10¹² cm⁻²•eV⁻¹ 降低至6.02×10¹² cm⁻²•eV⁻¹，有效抑制了 Shockley-Read-Hall 复合与 Poole-Frenkel 发射导致的漏电路径。本研究证明了氧空位钝化是协同优化异质结能带结构与电荷传输的有效途径，为开发高功率、低损耗的超宽禁带氧化物功率器件提供了重要的实验依据与设计见解 。

        ● 氧空位协同钝化策略：创新性地利用氧等离子体处理实现了界面态抑制与体相功函数调控的协同优化，有效修复了溅射过程产生的本征缺陷并提升了p型电导率。

        ● 显著提升的功率转换性能：通过精准的氧含量调控，将器件击穿电压提升至 1785 V，比导通电阻降至 5.2 mΩ⋅cm²，实现了221%的功率值（PFOM）性能飞跃。

        ● 能带结构与势垒精细调制：利用原位 KPFM 证实了处理后功函数与内置电势的同步提升（V_bi从2.04 V升至2.16 V），显著增强了整流势垒并大幅降低了比接触电阻率。

        ● 揭示陷阱受限传输抑制机制：明确了氧空位钝化对 Poole-Frenkel 发射（PFE）及 SRH 复合路径的抑制作用，实现了对反向漏电流与理想因子的有效调控。

        本研究证明了O₂等离子体诱导的V_O钝化提供了一种协同策略来同时提高CuCrO₂/β-Ga₂O₃ HJDS的界面和体电子性质。处理提高了CuCrO₂的p型电导率，增加了Φ和V_bi。它还通过提高空穴浓度和降低ρc改善了Ni/CuCrO₂欧姆接触，从而有助于降低导通电阻。能带对齐分析进一步表明，处理后的ΔEC增加，增强了对电子注入的阻挡，抑制了反向漏。同时，它通过钝化性能限制陷阱、抑制主要的PFE和SRH复合来实现全面的缺陷缓解。在这种双重机制的作用下，器件性能得到显著改善，V_br从1110 V提高到1785 V，R_on,sp从6.4 mΩ⋅cm²降低到5.2 mΩ⋅cm²，PFOM从0.19 GW/cm²增加到0.61 GW/cm²。最后，TCAD模拟证实了O₂等离子体处理通过协同增加CuCrO₂空穴浓度和降低D_it，这种方法缓解了阳极周围的电场拥挤，导致了更均匀的电场分布。这些结果突出了V_O钝化是一种实用且可扩展的并行界面和体优化策略，为下一代宽带隙氧化物电力电子器件提供了强大的潜力。

        本研究获得以下资助：中国国家自然科学基金委员会项目（编号：62171396）、深圳市科技计划项目（编号：JCYJ20240813145617023）以及厦门双百人才计划。

图 1. (a) CuCrO₂/β-Ga₂O₃ HJD 的横截面示意图。(b)关键工艺流程示意图。(c)制备的 CuCrO₂/β-Ga₂O₃ HJD 的顶视光学显微照片。(d)在 w/o (0 W)、300 W 和 600 W 下进行 O₂ 等离子体处理后溅射 CuCrO₂ 薄膜的 XRD 图案和相应的 AFM 表面形貌。

图 2. 在不同功率下进行 O₂ 等离子体处理后 Ni/CuCrO₂ 接触的 TLM 表征。(a-c) 对于 (a) w/o、(b) 300 W 和 (c) 600 W 样品，在具有不同间距 (d = 10-60 μm) 的相邻 TLM之间测量的I-V特性。(d-f) 从 I-V 斜率中提取的总电阻 R 作为间距 d 的函数，以及 (d) w/o、(e) 300 W 和 (f) 600 W 样品的相应线性 TLM 拟合。

图 3. (a) 半对数正向 J-V 特性以及提取的 R_on,sp 与正向偏压的关系，(b) η 和 Φ_B 的变化，(c) 半对数反向 J-V 特性，(d) 反向偏压下的 ln(J/E) –E^1/2 曲线，(e) 先进垂直 β-Ga₂O₃ 基 HJD 的 R_on,sp 和 V_br 的基准比较，以及 (f) 相应的 在 1 MHz 下测量的 CuCrO₂/β-Ga₂O₃ HJD 的 1/C²-V 特性，经 O₂ 等离子体处理，功率为 w/o、300 W 和 600 W。

图4. 经(a, d) w/o, (b, e) 300W和(c, f) 600W的O₂等离子体处理的CuCrO₂薄膜的O 1s和Cu 2p_3/2芯能级的XPS深度分布。

图 5. 用 O₂ 等离子体处理的 HJD 的 KPFM 表面电势图像和相应的提取 V_CPD 值，功率为 (a, d) w/o、(b, e) 300 W 和 (c, f) 600 W。在每张图像中，左侧区域对应于 CuCrO₂ 薄膜，右侧区域对应于用作参考的相邻 Au 焊盘。

图 6. Gp/ω 作为角频率 ω 的函数，用于通过电导法对经过 O₂ 等离子体处理的 CuCrO₂/β-Ga₂O₃ HJD 进行 D_it 提取, 功率为(a) w/o、(b) 300 W 和 (c) 600 W。 (d)提取的 D_it 作为 CuCrO₂/β-Ga₂O₃ HJD的E_T函数的比较。

图 7. 在 (a, d) w/o、(b, e) 300 W 和 (c, f) 600 W 功率下用 O₂ 等离子体处理的 CuCrO₂/β-Ga₂O₃ HJD 的 HJD 电场分布（用 Sentaurus TCAD 软件模拟）以及沿着器件边缘处的切割线 (x = 30.1 μm) 的相应电场分布。

DOI：

doi.org/10.1016/j.jallcom.2026.186858