美國康奈爾大學(xué)和日本的新型晶體技術(shù)公司近期聲稱單斜形β-多晶型氧化鎵（β-Ga2O3）肖特基勢壘二極管（SBD）具有最低的泄漏電流。在相對較高的擊穿電壓1232V下，顯示出低的泄漏電流密度小于1μA·cm-2。

該器件采用溝槽結(jié)構(gòu)制作鰭片，側(cè)壁上有金屬 - 絕緣體 - 半導(dǎo)體（MIS）疊層，以減少表面場效應(yīng)，抑制反向偏壓下的泄漏。

[Wenshen Li 等, Appl. Phys. Lett., vol113, p202101, 2018]。

氧化鎵具有許多可用于高功率電子和射頻放大器應(yīng)用的特性：具有4.5eV的寬帶隙，可以高達(dá)8MV/cm 的高臨界電場，以及200cm2 / V-s的電子遷移率。該類器件還可以應(yīng)用在惡劣和高溫條件下。使用熔體生長法可以生產(chǎn)商業(yè)化單晶體Ga2O3基板。

研究人員使用鹵化物氣相外延（HVPE）來合成SBD的器件層（圖1）。鰭片面積比約是鰭片+溝槽間距的60％。在模擬中，研究人員認(rèn)為較窄的鰭片會在頂部表面附近產(chǎn)生較低的電場。在10μm的漂移層上存在2x10E16·cm-3的均勻凈摻雜，這對改善性能起到了重要作用。

圖1：（a）β-Ga2O3溝槽肖特基勢壘二極管的示意性橫截面。（b）在（a）中沿翅片中心的垂直虛線切割線處的1200V反向偏壓下的模擬電場分布。

首先是合成背陰極：進(jìn)行第一反應(yīng)離子蝕刻（RIE）以改善接觸的歐姆性質(zhì)，然后再蒸發(fā)和退火鈦/金（Ti / Au）接觸金屬。

然后使用鎳/鉑（Ni / Pt）作為用于溝槽RIE蝕刻的硬掩模和最終器件的肖特基接觸來圖案化外延晶片的正面。將溝槽蝕刻至2μm的深度，使翅片通道沿[010]方向取向。翅片側(cè)壁被描述為“接近垂直”。

之后使用原子層沉積（ALD）將溝槽襯以氧化鋁（Al2O3）。通過鰭片頂部的氧化鋁的干蝕刻暴露出鎳/鉑肖特基接觸。通過在溝槽側(cè)壁上濺射鉻/鉑（Cr / Pt）來完成該器件。

為了比較，研究人員還制造出沒有鰭結(jié)構(gòu)的Ni / Pt肖特基二極管。目前的密度是根據(jù)設(shè)備面積而不是翅片面積來計(jì)算的。兩種設(shè)備的理想因子為1.08。溝槽SBD的肖特基勢壘高度為1.40eV，而常規(guī)器件的肖特基勢壘高度為1.35eV。增加的有效勢壘高度歸因于溝槽側(cè)壁上的相鄰金屬氧化物半導(dǎo)體結(jié)。

通過脈沖測量來避免自熱效應(yīng)。與常規(guī)裝置相比，流過散熱片的電流限制區(qū)域會導(dǎo)致電流密度降低。溝槽SBD的具體差分導(dǎo)通電阻為15mΩ-cm2，而常規(guī)器件的導(dǎo)通電阻為6.6mΩ-cm2。

溝槽SBD還在常規(guī)器件中未見的電壓掃描中發(fā)生俘獲效應(yīng)。該研究推斷“陷阱必須位于溝槽MIS結(jié)構(gòu)”。被捕獲的電荷增加了鰭片的耗盡，限制了電流。研究人員估計(jì)，假設(shè)陷阱電子片密度為~8x10E11·cm-2時(shí)，在零偏壓下，額外的耗盡厚度為170nm。

研究人員提出，采用Al2O3電介質(zhì)的后沉積退火（PDA）可以減少俘獲，并且在干蝕刻后可以改善Ga2O3表面的表面處理。

溝槽SBD在反向偏壓上展現(xiàn)出更好的性能——該器件的擊穿電壓為1232V，而普通器件的則為734V。最佳性能的溝槽SBD的鰭片寬2μm。擊穿前的漏電流小于1μA·cm-2，當(dāng)反向偏壓低于1000V時(shí)，漏電流小于0.1μA· cm-2，這相當(dāng)于功耗小于0.1mW·cm-2。鰭片越寬的器件則它的泄漏更高的和擊穿電壓更低。

圖2：性能最優(yōu)的β-Ga2O3 SBD的基準(zhǔn)圖。（a）差分特定導(dǎo)通電阻（Ron，sp，不包括導(dǎo)通電壓）與反向漏電流密度為1mA·cm-2時(shí)規(guī)定的阻斷電壓。（b）泄漏電流密度為報(bào)告的擊穿電壓的80％與報(bào)告的硬擊穿電壓之間的關(guān)系。

該團(tuán)隊(duì)將β-Ga2O3 SBD的性能與其他報(bào)告進(jìn)行了比較（圖2）。在1mA · cm-2 電流密度下的阻斷電壓相比，特定的差分導(dǎo)通電阻與先前報(bào)道的溝槽器件相比有著明顯的改善。該團(tuán)隊(duì)說：“與我們之前的結(jié)果相比，由于摻雜分布更均勻，中等水平的電子密度（~2x10E16·cm-3）和更少的載流子補(bǔ)償，導(dǎo)通電阻大大降低?！?/p>

同時(shí)該團(tuán)隊(duì)還比較了在80％擊穿時(shí)的反向泄漏和擊穿電壓。與常規(guī)器件相比，溝槽SBD中的泄漏更低。該團(tuán)隊(duì)的常規(guī)SBD表現(xiàn)出與其他報(bào)告相似的表現(xiàn)。因此，較低的泄漏可能歸因于溝槽結(jié)構(gòu)本身。

該團(tuán)隊(duì)目前期望通過減少M(fèi)IS結(jié)構(gòu)中的捕獲效應(yīng)并進(jìn)行更好的現(xiàn)場控制來突破Ga2O3理論材料的限制。