TiO2可增强Ga2O3二极管

所有功率器件设计人员都面临着一个关键挑战，即要确保器件在正向偏压和反向偏压下损耗都较低。由美国空军研究实验室（AFRL）工程师领导的团队表示，已经证实，b-Ga₂O₃二极管要做到这两点尤其具有挑战性，但引入K值较高的TiO₂中间层可能会取得进展。

这一合作团队包含加利福尼亚大学圣巴巴拉分校和APEX Microdevices的研究人员，他们最近报告称，插入TiO₂中间层可降低Ga₂O₃二极管的导通电压和漏电流，并提高其击穿电压。

美国空军研究实验室的团队发言人Nolan Hendricks说：“时间会证明这是否是最有前途的拓扑结构。但至少，这种带有TiO₂的拓扑结构可以与结-势垒-肖特基或沟槽-MOS肖特基二极管等其他二极管设计相结合，从而充分释放Ga₂O₃的潜力。”

Nolan Hendricks及其同事绝不是首个为提高Ga₂O₃功率二极管性能而研究新型器件架构的团队。

据报道，已有许多设计成功降低了离态电流密度。这些设计包括：基于沟槽的结构（因特定导通电阻增高而受阻）、具有高肖特基势垒触点的器件（可降低漏电，但会提高导通电压）、具有p-n结的二极管（可提高势垒高度，从而增加导通损耗）。

金属/BaTiO₃/Ga₂O₃结构为俄亥俄州立大学一团队首创，该团队由Zhanbo Xia和Siddharth Rajan领导，Nolan Hendricks认为，此结构更有前途。

Nolan Hendricks说：“金属/BaTiO₃/Ga₂O₃结构的导带偏移略强，因此导通电压非常大，但该团队所构想的基本概念却很有前途。TiO₂的K值也较高，但理论上，与Ga₂O₃相比，TiO₂的带偏移应该较差，于是我们着手在金属-电介质-半导体结构中使用TiO₂。结果非常理想。”

TiO₂的介电常数为30-160，导带边缘约比b-Ga₂O₃低0.3 eV。由于改善了对隧穿电子的阻挡，这些特性有望降低反向偏压时的漏电率，同时由于其谱带轮廓，也不会阻碍正向传导。

为了确定TiO₂能否增强Ga₂O₃二极管，Nolan Hendricks及其同事制造了一个传统的b-Ga₂O₃肖特基势垒二极管和一个Pt/TiO₂/Ga₂O₃并联二极管。这些器件由晶圆上的相邻裸片形成，晶圆上有13 mm厚的掺硅b-Ga₂O₃层，该掺硅b-Ga₂O₃层是利用掺锡原生衬底上的HVPE生长出来的。等离子体增强原子层沉积技术增加了4.3 nm的TiO₂层。

两类二极管都通过沉积SiO₂实现边缘钝化，这两类二极管的测量结果显示，加入TiO₂后，导通电压从0.88 V降至0.59 V，击穿电压从548 V升至1380 V，相应的，击穿场强从1.8 MV cm^-1升至2.8 MV cm^-1。

Nolan Hendricks认为这些结果“非常令人兴奋”，他认为Pt/TiO₂/Ga₂O₃二极管的击穿场强超过了平面拓扑结构中4H-SiC的极限，其中4H-SiC的导通电压也较高。

要注意的是，这些结果是在没有边缘终止的情况下获得的。目前，该团队已将这一点考虑其中，并考虑采用一系列场管理结构，以降低电阻损耗和导通损耗。Nolan Hendricks说：“我们已经在该领域取得了初步进展，通过p-NiO保护环将击穿场强升至3.7 MV/cm，并在2023年器件研究会议（Device Research Conference）上分享了这一成果。”

参考文献

N. Hendricks et. al. Appl. Phys Express 16 071002 (2023)

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