基于自对准Mesa终端成功制备了高性能PtOx/β-Ga2O3 SBD器件
2024/4/18 9:25:26 材料来源：ACT
来自中国科学技术大学的韩照博士，通过将Mesa终端与能够和β-Ga2O3形成高势垒的PtOX电极有机结合，并开发原位退火刻蚀方案，成功制备了击穿电压超过2.7 kV的高性能β-Ga2O3 SBD器件，这项研究工作为进一步提高β-Ga2O3 SBD性能、减小干法刻蚀引入的损伤提供了行之有效的方法。
随着社会对清洁能源和高效电子器件的需求不断增加，电子器件技术的不断演进，高性能功率二极管在能源转换、电力电子等领域变得尤为关键。氧化镓作为新一代功率半导体材料，因其宽禁带和耐极端环境特性，有望在未来功率器件领域发挥重要作用。然而，基于β-Ga2O3的功率二极管器件目前仍面临边缘电场集中效应、器件性能与理论值之间悬殊的挑战。为了应对这一问题，研究人员已经提出了多种解决途径，包括开发Mesa、Trench结构、场板和高阻终端等不同的器件终端方式。
在这些方案中，Mesa终端因避免了阳极边缘的横向耗尽，具有明显的电场调控效果。同时，相较于Trench结构，Mesa结构的器件有源区面积更大，保证了在提升击穿性能的同时，不会过度牺牲正向导通性能。研究人员徐光伟指出，“Mesa结构SBD的漏电流与有源区的肖特基接触质量密切相关。在高电场下，势垒降低和隧穿效应导致肖特基接触的泄漏电流难以控制。此外，对于Mesa制备过程中产生的刻蚀损伤，有效地修复和保护刻蚀侧壁仍是亟待解决的难题。”
针对上述问题，该研究团队通过优化氧化铂（PtOX）电极沉积工艺，提升器件的势垒高度，减少Mesa器件在高电场下的漏电流。与常规镍电极的器件相比，基于PtOX的β-Ga2O3 SBD器件在漏电流和击穿电压方面表现出显著优势。此外，该团队还开发了原位退火干法刻蚀工艺，在Mesa形成的自对准刻蚀过程中，利用刻蚀积累的温度来实现Mesa侧壁的原位退火修复。实验结果显示，修复后的器件C-V曲线与未刻蚀器件几乎一致，且器件I-V特性的回滞值明显减小，表明原位退火刻蚀工艺实现了侧壁修复和阳极后退火的双重功效。得益于以上的研究，PtOX/β-Ga2O3 SBD器件实现了超过2.7 kV的高击穿电压，功率品质因数达到1.02 GW/cm2。在-2000 V偏压下，器件漏电水平仍保持小于1 nA。此外，SU-8钝化工艺可以实现器件的有效钝化，为未来器件工程应用前的钝化选择提供了思路。
该团队工作的亮点之一是验证了高肖特基势垒对于提升Mesa终端器件性能的有效性。另一项重要成就是基于此结构开发的原位退火干法刻蚀工艺为长期困扰氧化镓器件的侧壁问题提供了解决思路。
该团队表示，未来相关研究将致力于降低器件的开启电压，开发新型器件结构方案和工艺，实现低开启电压、高击穿电压的大电流Mesa β-Ga2O3-SBD器件。
参考文献
Z. Han et al., "2.7 kV Low Leakage Vertical PtOx/β-Ga2O3 Schottky Barrier Diodes With Self-Aligned Mesa Termination," in IEEE Electron Device Letters, vol. 44, no. 10, pp. 1680-1683, Oct. 2023, doi: 10.1109/LED.2023.3305389.
图1：（a）基于PtOx阳极制备的Mesa终端器件结构；（b）器件截面的扫描电子显微镜图片；（c）不同Mesa深度的器件击穿电压分布趋势；（d）器件导通电阻和击穿电压与同类器件的对比。
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