氩离子注入边缘终端提升 β-Ga₂O₃ 肖特基二极管击穿电压与优值

摘要

我们证明采用聚焦氩离子注入边缘终端的 Au/Ni/β-Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管，实现反向击穿电压和 Baliga 优值（FOM）显著提升。将注入剂量从 5×10¹⁴ cm⁻² 变化至 1×10¹⁶ cm⁻²（50 keV），击穿电压从 209 V 增至 252 V 和 451 V（最大实测 550 V）。相应 FOM 从 25.7 提升至 30.2 和 61.6 MW cm⁻²，分别增强 17.5% 和 140%。二维器件仿真证实氩离子产生的高电阻非晶层将阳极角电场峰值平滑至注入区下方，减轻电场拥挤。温度依赖正向偏压测量进一步展示宽温域稳定性能。

背景

超宽禁带半导体如 β-Ga₂O₃、AlN 和金刚石正快速推进大功率电子格局。β-Ga₂O₃ 拥有卓越 4.8–4.9 eV 禁带宽度和理论击穿场 ~8 MV cm⁻¹，分别超越 4H-SiC 和 GaN 三倍和四倍。其 Baliga 优值达 3400，比 SiC 高一个数量级、比 GaN 高四倍，成为低损耗、高压开关器件首选候选。

大面积、低成本 β-Ga₂O₃ 单晶可经浮区法 (FZ) 或边界限定薄膜喂养生长法 (EFG) 制备。Sn、Si、Ge 掺杂可将电子浓度从 10¹⁶ 调至 10¹⁹ cm⁻³，实现定制电导率器件设计。β-Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管 (SBDs) 利用材料快速开关和低正向压降，提升功率转换效率。

尽管无终端 β-Ga₂O₃ SBDs 记录击穿电压达 1.016 kV、2.3 kV 和 1.6 kV，但仍远低于理论 34%、8% 和 10% 理想极限。边缘终端因此至关重要，可缓解电场拥挤释放材料全部潜力。场极板、浮动环、沟槽 MOS 和结终端延伸 (JTE) 等常规方法因 β-Ga₂O₃ 固有缺乏 p 型掺杂而失效。氩离子注入作为一种简单、无需光刻的技术，在阳极边缘形成高电阻非晶层，有效平滑电场分布，已在 SiC 和 GaN 整流器成功应用。

本工作制备氩离子注入肖特基接触边缘的垂直边缘终端 β-Ga₂O₃ SBDs，系统评估其电学特性和电场分布。

方法/实验

10 µm 厚漂移层从 EFG 生长的高纯度 Sn 掺杂 (100) β-Ga₂O₃ 体块机械剥离得来。高分辨 X 射线衍射 (HRXRD) 和原子力显微镜 (AFM) 确认卓越晶体质量（FWHM=37.4 角秒，RMS=0.203 nm）。四探针测量得方块电阻 563 Ω □⁻¹，对应电子迁移率 85–95 cm² V⁻¹ s⁻¹，载流子浓度 1.3×10¹⁷ cm⁻³。

背面氩离子注入（50 keV, 2.5×10¹⁴ cm⁻²）后 950 °C、60 分钟 N₂ 退火形成均匀 n 型欧姆接触。沉积 Ti/Au (20 nm/100 nm) 叠层并快速热退火 (RTA) 600 °C、60 秒，正面光刻 2 µm 厚光刻胶掩膜。氩离子（50 keV）在肖特基边缘注入，剂量 5×10¹⁴ cm⁻² (样品 B) 和 1×10¹⁶ cm⁻² (样品 C)。400 °C、60 秒 N₂ RTA 缓解注入损伤并抑制反向漏电。最后标准光刻、蒸发、剥离定义 100 µm 直径 Ni/Au (30 nm/200 nm) 肖特基阳极。参比器件 (样品 A) 同工艺但无边缘注入。

样品 C 横截面 TEM 显示注入区下方 ~50 nm 厚非晶 β-Ga₂O₃ 层（图 2a）。图 2b 为成品照片。图 2c,d 示正向 I-V (0–3 V, 10 mV 步进) 和反向 I-V (0 至 -500 V, 1 V 步进) 测量装置。

结果与讨论

三样品 1/C²-V 曲线给出有效施主浓度 (1.3±0.04)×10¹⁷ cm⁻³ 和内建势 1.30 eV。标准肖特基分析得势垒高度 φb,CV = 1.32 eV。提取方程如下：

$$ \frac{1}{C^2}=\frac{2}{q\varepsilon A^2(N_d-N_a)}(V_{bi}-V)\quad(1) $$ $$ e\varphi_b=eV_{bi}+ (E_c-E_f)-e\Delta\varphi\quad(2) $$ $$ E_c-E_f=kT\ln\left(\frac{N_c}{N_d-N_a}\right)\quad(3) $$ $$ e\Delta\varphi=\left\{\frac{e}{4\pi\varepsilon}\left[\frac{2eV_{bi}(N_d-N_a)}{\varepsilon}\right]^{1/2}\right\}^{1/2}\quad(4) $$

正向 J-V 特性（图 4a）显示边缘注入不降低正向传导。阈值电压维持 0.91–0.95 V，室温 I_on/I_off 比超 10⁹。比导通电阻从 1.7 适度增至 3.3 mΩ cm²，2 V 峰值电流密度保持 >600 A cm⁻²，与同类漂移层文献值相当或更优。

温度扫描显示理想因子 n 从 1.06 降至 1.02，势垒高度 φb,JV 恒定 ~1.21 eV，指示热发射主导、像力降低极小。Richardson 图给出 φb=1.22 eV、有效 Richardson 常数 A*=48.5 A cm⁻² K⁻²，匹配基于有效质量 0.23–0.34 m₀ 的 β-Ga₂O₃ 理论范围 (24–58 A cm⁻² K⁻²)。

反向 J-V 测量（图 5a）确认氩注入显著增强击穿电压：从 209 V (样品 A) 至 252 V (样品 B) 和 451 V (样品 C)。对应 Baliga FOM 从 25.7 升至 61.6 MW cm⁻²，最高剂量提升 140%。注入器件漏电流略高，可能因残留注入损伤；未来将优化注入后退火参数。

样品组最大 550 V 击穿电压统计分析确认高电阻边缘层成功缓解电场峰值。二维仿真（图 6）结合 50 nm 深中间隙受主体和不完全电离模型，演示峰值电场从阳极角转移至注入区下方，最大场 5.05 MV cm⁻¹——符合理论极限且优于 SiC 和 GaN 对应器件。

结论

我们成功制备氩离子注入边缘终端的垂直 Au/Ni/β-Ga₂O₃ 肖特基二极管。相比参比器件，注入二极管击穿电压提升 20–140%，导通电阻相当或略高。最高实测击穿电压达 550 V，峰值电场 5.05 MV cm⁻¹——远超 SiC 和 GaN 二极管极限。结果确认简单、无需光刻的氩离子注入步骤可释放 β-Ga₂O₃ 肖特基器件全部高压潜力。

缩写

AFM:

原子力显微镜

EFG:

边界限定薄膜喂养生长

FWHM:

半高全宽

FZ:

浮区法

HRXRD:

高分辨 X 射线衍射

JTE:

结终端延伸

MOSFET:

金属-氧化物-半导体场效应晶体管

RMS:

均方根

SBD:

肖特基势垒二极管

TE:

热发射