超宽禁带 β-Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管：材料基础、器件设计与功率电子展望

摘要

氧化镓（β-Ga₂O₃）拥有超宽禁带（~4.8 eV）、高击穿场（~8 MV cm⁻¹）和优异的巴利加性能指标，成为下一代高功率器件（如肖特基势垒二极管 SBD）的领军候选材料。本综述综合了 β-Ga₂O₃ 的基本物理性质，评述了基于 Ga₂O₃ 的 SBD 研究进展，对比了提升击穿电压和降低导通电阻的策略，并展望了 Ga₂O₃ SBD 在功率电子领域的应用前景。

研究背景

电力、工控、汽车和消费电子等领域对高性能功率半导体的需求日益增长。超宽禁带材料因能实现高压、高温工作而备受关注。β-Ga₂O₃ 凭借 4.8 eV 禁带宽度、~8 MV cm⁻¹ 临界场和较低电子迁移率（~200 cm² V⁻¹ s⁻¹），其巴利加性能指标超越 Si、SiC 和 GaN。与 SiC、GaN 不同，β-Ga₂O₃ 衬底可通过浮区法（FZ）或边界限定薯条生长法（EFG）在常压下低成本制备大面积高质量单晶。这些特性使 β-Ga₂O₃ 成为 SBD 和 MOSFET 等单极器件的理想平台。

β-Ga₂O₃ 的物理性质

β-Ga₂O₃ 是五种已知 Ga₂O₃ 多型中热力学稳定的单斜相。晶格常数（a=1.22 nm, b=0.30 nm, c=0.58 nm）和超宽禁带（4.7–4.9 eV）赋予其近乎 SiC 和 GaN 两倍的临界场。导电性源于氧空位诱导的施主能级，提供自由电子，支持 Si 或 Sn 掺杂实现 10¹⁵–10¹⁹ cm⁻³ 的 n 型掺杂，电阻率跨度 10⁻³–10¹² Ω·cm，禁带宽度可通过掺杂调节。主要挑战仍存：(1) P 型掺杂因深受主能级而无效；(2) 热导率低（0.1–0.3 W cm⁻¹ K⁻¹），限制高功率运行；(3) 电子迁移率适中，制约高频性能。尽管如此，超宽禁带赋予其 250–280 nm 波段优异的紫外探测能力。

肖特基势垒二极管基本概念

SBD 中肖特基势垒高度（Φ_B）取决于金属功函数与半导体电子亲和势，但界面态会扰动这一关系。对 β-Ga₂O₃，Ni 和 Pt 常作肖特基金属，Ti 和 In 经高温退火可形成低阻欧姆接触。优化掺杂（10¹⁶–10¹⁷ cm⁻³）确保耗尽层宽度抑制隧穿。边缘终端技术——场板（FP）和沟槽结构——重新分布电场，提高击穿电压（V_br）并降低漏电流。表面钝化和高质量衬底进一步增强 V_br 稳定性。

β-Ga₂O₃ 基肖特基势垒二极管的发展

早期基于 (010) 取向 β-Ga₂O₃ 单晶的器件实现 V_br ≈ 150 V，Φ_B ≈ 1.3–1.5 eV。后续在 (100) 取向 EFG 衬底上展示 V_br > 200 V、导通电阻（R_on）低至 2.9 mΩ·cm²、正向电流密度超 400 A cm⁻²。脉冲激光沉积（PLD）生长的 Al 掺杂 β-Ga₂O₃ 薄膜 SBD 实现 R_on = 2.1 mΩ·cm² 和 10¹¹ 电流开关比。卤化物气相外延（HVPE）在 n⁺ 衬底上生长 7 μm 厚 n⁻ 外延层，使 Φ_B 在 21–200 °C 几乎恒定，实现高温工作。

先进边缘终端工程——场板与沟槽——将 V_br 推至千伏量级同时保持 R_on < 5 mΩ·cm²。例如 Pt 封顶 HVPE-n⁻/(001)n⁺ 器件达 V_br = 1076 V、R_on = 5.1 mΩ·cm²；沟槽终端器件达 V_br > 400 V、R_on = 2.4 mΩ·cm²，开关损耗优于商用 600 V SiC SBD。

尽管可靠 P 型掺杂缺失，异质结 p-Cu₂O/n-Ga₂O₃ 二极管已展示 V_br 高达 1.49 kV、R_on = 8.2 mΩ·cm²，为双极器件提供可行路径，但较高阈值电压和少数载流子储存效应仍是顾虑。

实际应用表明 β-Ga₂O₃ SBD 可整流高达 100 kHz 交流信号——与 SiC 相当，适用于电力变换器和电机驱动。

结论

β-Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管处于快速发展期。衬底质量、外延生长和器件工程的持续进步不断降低 R_on、提高 V_br。尽管热导率低和缺乏 P 型掺杂等挑战依然存在，但其超宽禁带和高临界场预示着在高压、高温功率电子领域的卓越性能。

缩略语

• AC – 交流电
• BFOM – 巴利加性能指标
• CVD – 化学气相沉积
• EFG – 边界限定薯条生长法
• FFT – 快速傅里叶变换
• FP – 场板
• FZ – 浮区法
• HRTEM – 高分辨透射电镜
• HVPE – 卤化物气相外延
• IMECAS – 中科院微电子研究所
• MOCVD – 金属有机化学气相沉积
• MOSFET – 金属-氧化物-半导体场效应晶体管
• NICT – 日本情报通信研究机构
• PLD – 脉冲激光沉积
• SBD – 肖特基势垒二极管
• TE – 热发射
• TFE – 热场发射
• WBG – 宽禁带
• XRD – X 射线衍射