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4 MV/cm (010) $\beta$ -Ga $_2$ O $_3$ Heterojunction Diodes Realized by Low-Damage e-Beam NiO $_x$ Interlayers

本文报道了在 MOCVD 生长的 (010) $\beta$ -Ga $_2$ O $_3$ 薄膜上制备高性能场板异质结二极管的研究，通过利用低损伤的电子束 NiO $_x$ 中间层来减轻溅射引起的离子损伤，实现了 4.02 MV/cm 的突破性临界击穿场强以及超过 1 GW/cm $^2$ 的功率优值。

原作者： Carl Peterson, Yizheng Liu, Chinmoy Nath Saha, Rachel Kahler, Akhila Mattapalli, Sriram Krishnamoorthy

发布于 2026-09-07

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CC BY 4.0

原作者： Carl Peterson, Yizheng Liu, Chinmoy Nath Saha, Rachel Kahler, Akhila Mattapalli, Sriram Krishnamoorthy

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

在从大规模数据中心到电动汽车的下一代技术电力竞赛中，工程师们一直在不断寻找能够比硅更高效处理电力的材料。硅已经为我们服务了几十年，但随着电力需求的增长，其局限性也变得显而易见。它在应对高电压方面表现吃力，并会产生大量热量，这迫使设备变得笨重且耗能。为了解决这一问题，科学家们将注意力转向了一类被称为超宽禁带半导体的材料。在这些材料中，一种被称为氧化镓（ $\beta$ - $\text{Ga}_2\text{O}_3$ ）的材料脱颖而出，成为一个极具前景的候选者。它具有承受极高电场而不发生击穿的独特能力，这使其成为制造更小、更轻、更高效功率转换器的理想选择。然而，将这种原材料转化为工作的电子元件并非易事。 $\beta$ -氧化镓的晶体结构在特定方面非常脆弱，而且用于在其上构建器件的各种方法有时会损坏脆弱的表面，导致器件在开始工作之前性能就已毁坏。

加州大学圣塔芭芭拉分校的研究人员最近展示了一种克服这一特定障碍的方法，为制造基于该材料的高性能功率器件铺平了道路。他们的工作聚焦于一种被称为 (010) 面的一类特定的 $\beta$ -氧化镓晶体取向，该取向具有优异的电学性能，但却以在制造过程中极易受损而闻名。该团队成功构建了一种二极管——一种允许电流单向流动并阻断反向电流的器件——其承受电压的能力远高于此前在该特定晶面上的尝试。成功的关键在于对制造工艺进行了一个简单而巧妙的改进：他们在晶体与随后的材料层之间放置了一个薄薄的保护屏蔽层。

该团队面临的挑战是， $\beta$ -氧化镓通常作为厚层生长在导电基底上，而为了制造二极管，他们需要在其上方沉积一层氧化镍。应用氧化镍的标准方法涉及一种称为“溅射”的过程，即原子从靶材上被轰击出来并降落在晶体上。虽然这种方法对许多材料都很有效，但这种轰击对于敏感的 $\beta$ -氧化镓 (010) 表面而言就像是一个微型喷砂机，产生的损伤会增加电阻并导致器件无法正常工作。为了解决这个问题，研究人员引入了一个保护屏障。在溅射过程开始之前，他们使用了一种不同的、更温和的技术——电子束沉积法，铺设了一层仅七纳米厚的极薄氧化镍层。这一层起到了屏蔽层的作用，吸收了随后溅射过程的冲击，从而使下方的晶体保持完好无损。

一旦布置好这个保护层，团队便通过添加剩余的氧化镍层和金属接触层完成了器件，创建了一个被称为场效应金属氧化物半导体异质结二极管的结构。他们在通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）法生长的六微米厚 $\beta$ -氧化镓层上测试了这些器件。结果令人瞩目。这些二极管在四伏的正向电压下，电流密度可达每平方厘米 700 安培，几乎没有电阻。更重要的是，它们可以在失效前阻挡高达 1.64 千伏的反向电压。该击穿电压对应于每厘米 4.02 兆伏特的电场强度，这是在这一特定生长层上制造的器件中的最高纪录。

这些二极管的性能是根据一个被称为“功率品质因数”（power figure of merit）的标准基准来衡量的，该指标平衡了器件阻挡电压的能力与导电时的电阻。新器件实现了 1.14 吉瓦每平方厘米的数值，位列目前报道的由金属有机化学气相沉积层制成的垂直二极管中的顶尖水平。研究人员还证实，该保护层并未阻碍器件性能；其电学特性与未受溅射损伤影响的器件几乎完全相同，证明了该屏蔽层成功保护了晶体质量。如果没有这种保护，器件的电阻将会高出近十倍，从而使其效率低下且不切实际。

这项工作凸显了开发超宽禁带功率电子技术的关键路径。虽然其他生长方法也取得了令人印象深刻的结果，但金属有机化学气相沉积技术因其能够精确控制杂质并创建高质量厚层而备受青睐。通过解决器件制造过程中的表面损伤问题，研究人员释放了这些高质量层的全部潜力。他们创造的二极管不仅是理论上的改进，更是证明了使用 $\beta$ -氧化镓进行下一代功率系统的可行性的功能性组件。在这些特定晶体上实现如此高的击穿场强和低电阻的能力表明，该材料已经准备好从实验室走向现实世界，有望带来比目前任何现有系统都更高效、更紧凑的电网和电子系统。

技术摘要：通过低损伤 e-Beam NiOx 中间层实现的 4 MV/cm (010) $\beta$ - $\text{Ga}_2\text{O}_3$ 异质结二极管

问题陈述
虽然 $\beta$ - $\text{Ga}_2\text{O}_3$ 因其高临界电场和体材料衬底的可获得性，是极具前景的超宽禁带半导体功率转换材料，但在 (010) 晶向晶面上制造高性能器件面临特定挑战。用于制造 $\text{NiO}_x$ 异质结二极管（HJD）的常规溅射工艺会对 (010) $\beta$ - $\text{Ga}_2\text{O}_3$ 表面诱发严重的离子损伤。这种损伤会在界面处产生高电阻区域和电荷耗尽，使得在 (010) $\beta$ - $\text{Ga}_2\text{O}_3$ 漂移层上同时实现低导通电阻（ $R_{on,sp}$ ）和高击穿电压变得十分困难。虽然溅射 $\text{NiO}_x$ HJD 已展现出潜力，但由于这种工艺诱导的损伤，其在 (010) 外延层上的性能受到了限制。

方法论
为了解决离子损伤问题，作者开发了一种用于 (010) $\beta$ - $\text{Ga}_2\text{O}_3$ 薄膜（通过金属有机化学气相沉积 MOCVD 生长）的场板异质结二极管（FP-HJD）制备工艺。其核心创新是在标准的溅射工艺之前，插入了一层薄且低损伤的 $\text{NiO}_x$ 中间层。

外延生长： 在导电的 Sn 掺杂衬底上，使用 TMGa、 $\text{O}_2$ 、Ar 和 $\text{SiH}_4$ 在 1000 °C 下生长了一个 6.2 $\mu\text{m}$ 厚的有意掺杂（ $2.67 \times 10^{16} \text{ cm}^{-3}$ ）(010) $\beta$ - $\text{Ga}_2\text{O}_3$ 漂移层。
保护中间层： 在进行主要的 $\text{NiO}_x$ 沉积之前，使用电子束（e-beam）蒸发工艺沉积了一个 7 $\text{nm}$ 的 $\text{NiO}_x$ 层。这一步骤旨在作为一个牺牲屏障，保护下方的 (010) 外延层免受随后溅射过程中固有的离子轰击影响。
器件制造： 在 e-beam 中间层之后，采用反应溅射沉积了 $\text{p}^- \text{-}\text{NiO}_x/\text{p}^+ \text{-}\text{NiO}_x$ 堆叠结构。器件结构包括台面刻蚀隔离、 $\text{SiO}_2$ 场板电介质以及具有 8 $\mu\text{m}$ 重叠长度的 $\text{Ni/Au}$ 场板。在背面（Ti/Au）和阳极侧（Ni/Au/Ni）形成欧姆接触。
表征： 器件通过高压电容-电压（C-V）测量、电流-电压（J-V）特性分析以及在电介质液体（Fluorinert FC-40）中进行的击穿电压测试进行分析，以防止电弧放电。

主要贡献
这项工作的核心贡献在于证明了低损伤 e-beam 沉积的 $\text{NiO}_x$ 中间层能有效减轻溅射诱导的离子损伤对 (010) $\beta$ - $\text{Ga}_2\text{O}_3$ 表面的影响。通过对比含有和不含该中间层的器件，作者表明 e-beam 层保持了外延层的电学完整性，从而实现了此前在 (010) 晶向上难以实现的高性能 HJD。

结果
所制造的 FP-HJD 在 MOCVD 生长的 (010) 漂移层垂直二极管方面展示了最先进的性能指标：

导通状态性能： 器件在 4 V 时实现了 700 $\text{A/cm}^2$ 的前向电流密度。微分比吸收电阻（ $R_{on,sp}$ ）测量值为 2.36 $\text{m}\Omega\cdot\text{cm}^2$ 。值得注意的是，含有 e-beam 中间层的器件的 $R_{on,sp}$ 仅为肖特基势垒二极管（SBD）的 1.4 倍，而没有该中间层的溅射 $\text{NiO}_x$ HJD 则比 SBD 高出了 9.4 倍。
整流与理想度： 器件表现出 $10^{11}$ 的整流比和接近噪声水平的反向漏电流（ $\sim 5 \times 10^{-9} \text{ A/cm}^2$ ）。理想因子为 1.29，内置电势（ $V_{bi}$ ）为 2 V。
击穿性能： 场板器件的击穿电压（ $V_{BR}$ ）达到 1.64 kV（相比之下，无场板器件为 1.52 kV）。这使得击穿时的平行平面电场强度（ $E_{||,max}$ ）达到了 4.02 MV/cm。
品质因数： 计算出的功率品质因数（PFOM, $V_{BR}^2 / R_{on,sp}$ ）为 1.14 $\text{GW/cm}^2$ 。
材料完整性： C-V 剖面证实，对于含有 e-beam 中间层的器件，整个 6.2 $\mu\text{m}$ 外延层内的净施主浓度（ $N_D - N_A$ ）均匀保持在 $\sim 2.67 \times 10^{16} \text{ cm}^{-3}$ ；而没有该中间层的器件在靠近表面处显示出明显的电荷耗尽现象，这是由离子损伤引起的。

意义
论文声称，这些结果代表了 MOCVD 生长的垂直 $\beta$ - $\text{Ga}_2\text{O}_3$ 功率器件领域的重大进展。所实现的 4.02 MV/cm 的 $E_{||,max}$ 和 1.14 $\text{GW/cm}^2$ 的 PFOM 是目前针对 (010) 漂移层垂直二极管报道的最高值。该工作验证了在减缓处理损伤的情况下，MOCVD 生长的外延层可以在击穿性能上与 HVPE 生长的外延层相媲美。通过成功保护 (010) 表面免受溅射损伤，该方法为在 (010) $\beta$ - $\text{Ga}_2\text{O}_3$ 上制造高电压、低电阻 $\text{NiO}_x$ HJD 开辟了一条可行的路径，解决了超宽禁带功率电子器件发展中的一个关键瓶颈。

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