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Kilovolt-class Vertical (011) \b{eta}-Ga2O3 Schottky Diodes for High Voltage and High Temperature Applications

本文报道了利用 TiO $_2$ /Al $_2$ O $_3$ 场板进行边缘终止技术，开发出千伏级垂直 (011) $\beta$ -Ga $_2$ O $_3$ 肖特基二极管，该二极管实现了高达 4.16 kV 的优异击穿电压，并在高达 150°C 的温度下保持极低的漏电流和卓越的整流性能，展示了其在高电压和高温功率应用领域的巨大潜力。

原作者： Emerson J. Hollar, Aaron M. Adams, Nolan S. Hendricks, Andrew J. Green, Esmat Farzana

发布于 2026-10-06

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CC BY 4.0

原作者： Emerson J. Hollar, Aaron M. Adams, Nolan S. Hendricks, Andrew J. Green, Esmat Farzana

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

现代电子产品依赖于半导体，这些材料能够以极高的速度和精度实现电流的开启与关闭。几十年来，硅一直是标准材料，但随着我们的世界对更小空间内更高功率的需求，硅正面临其物理极限。科学家们转向了一类被称为宽禁带半导体的材料，这类材料可以处理更高的电压和温度。在这些材料中，一种被称为氧化镓（beta-gallium oxide）的材料脱颖而出，成为一个极具前景的候选者。它能承受比硅强得多的电场，使其成为下一代电网、电动汽车和工业电机的理想选择。然而，要让这种材料在实际设备中发挥作用，研究人员必须解决一个特定的问题：当这些设备变得过大或被推向高电压时，晶体结构中的微小缺陷往往会导致它们过早失效，产生漏电流并失去阻断功率的能力。

来自爱荷华州立大学和美国空军研究实验室的一个研究小组在解决这一问题方面取得了重大进展，他们构建了一种能够在高电压和高温下可靠工作的全新类型功率开关。他们专注于氧化镓晶体的一种特定取向，这种取向天然地避开了困扰其他版本材料的缺陷。通过在这种特定方向上生长晶体，并在设备的边缘添加一层专门的保护层，他们创造出一种可以阻断近四千伏电压的二极管。这是一个巨大的飞跃，因为它证明了这种材料可以在不丧失阻断高压能力的情况下，扩展到商业使用所需的尺寸。

研究人员首先在衬底上生长了一层厚厚的这种特殊氧化镓晶体，创建了一个三十微米厚的漂移层。该层作为阻止电流在关断时向后流动的核心屏障。在以往使用不同晶体取向的尝试中，不想要的杂质和结构缺陷会产生电流泄漏路径，导致设备在较低电压下失效。团队选择了 (011) 取向，因为该版本的晶体缺陷是平行于表面的，而不是直接穿透材料，从而有效地移除了通常供漏电流流动的“高速公路”。为了测试这一点，他们制造了直径从一百到三百微米不等的二极管，并将其与没有任何特殊边缘保护的设备进行了对比。

为了进一步提高性能，团队添加了一个场板（field plate），这本质上是一个由绝缘材料堆叠覆盖的金属延伸结构。该结构可以分散设备边缘积累的剧烈电场，防止电场过于集中而导致材料击穿。他们使用了二氧化钛和氧化铝两种绝缘体的组合，这两者因其处理高电场应压力的能力而被选中。当他们测试这些设备时，结果令人瞩目。没有场板的二极管可以阻断约三千伏的电压，而带有场板的二极管则能在三千九百至四千一百六十伏之间保持稳定。至关重要的是，这种高性能无论二极管尺寸如何都能保持一致，证明了该材料和设计可以扩展到更大的功率系统。

团队还想知道这些设备是否能在炎热环境中生存，这是电动汽车内部或喷气发动机附近电子设备的常见要求。他们将二极管加热到一百五十摄氏度，在这个温度下，许多其他高压设备会开始出现电流泄漏并失效。即使在这种热度下，这些二极管仍能保持阻断电流的能力，且几乎没有泄漏。它们在关断状态下的阻断电流能力比导通状态下高出一千亿倍，且这种比例在温度升高时依然保持稳定。他们在这些高温测试中遇到的唯一限制是，周围的空气在设备本身发生击穿之前就开始崩溃了，这表明如果是在真空或液体中测试，该设备本身足以应对更高的电压。

通过计算机模拟，研究人员证实了电场确实如他们预期那样得到了管理。模拟显示，场板成功降低了设备边缘的峰值电场应力，使材料能够达到其理论极限。虽然二氧化钛绝缘层在极高电场下显示出应力迹象，但整体设计证明了特殊晶体取向与场板的结合创造了一个稳健的系统。研究并未发现较大的二极管表现比较小的二极管差，对于制造业而言，这是一个关键发现。它表明工程师可以使用这种材料构建更大规模的功率开关，而不必担心尺寸增加会引入新的失效点。

这项工作表明，通过仔细选择晶体取向并使用智能工程来管理电场，制造出既极其强韧又耐热的功率开关是可能的。本研究中制造的二极管可以在足以使许多其他技术失效的温度下处理千伏级的电压。研究人员表明，这种材料不会像其他版本的氧化镓那样受到温度相关泄漏的影响。相反，这些设备保持了其完整性，为未来更高效、更强大的电子产品提供了清晰的路径。研究结果表明，只要制造工艺能够继续生产出具有这种特定抗缺陷取向的晶体，实现这些高功率设备的商业化之路正变得更加明朗。

技术摘要：用于高压及高温应用的千伏级垂直 (011) $\beta$ -Ga $_2$ O $_3$ 肖特基二极管

问题陈述
尽管超宽禁带 (UWBG) $\beta$ -Ga $_2$ O $_3$ 因其 ~4.8 eV 的禁带宽度和预计 ~8 MV/cm 的临界击穿场强，在紧凑型高功率半导体器件领域展现出巨大潜力，但目前的垂直功率器件面临着关键的局限性。大多数已报道的器件采用卤素气相外延 (HVPE) 生长的 (001) 取向外延层，这些外延层受到漂移层厚度有限（ $\le$ 10 $\mu$ m）、非故意施主杂质以及“杀手”位错缺陷（这些缺陷会产生漏电路径并降低反向击穿性能）的困扰。此外，虽然高温度性能是超宽禁带材料的一个关键优势，但目前对于多千伏 (kV) 级垂直 $\beta$ -Ga $_2$ O $_3$ 肖特基势垒二极管 (SBD) 在高反向偏压下的高温击穿特性仍缺乏研究，特别是在使用 (011) 晶体取向的情况下。

方法论
作者在商用 HVPE (011) $\beta$ -Ga $_2$ O $_3$ 外延层上制造了垂直 SBD，该外延层具有 30 $\mu$ m 的标称漂移层和低背景掺杂（~2 $\times$ 10 $^{15}$ cm $^{-3}$ ），并采用 Sn 掺杂衬底。器件结构包括：

欧姆接触： 通过基于 BCl $_3$ 的反应离子刻蚀 (RIE) 背面处理，随后进行 Ti/Au 沉积和快速热退火。
肖特基阳极： 采用 Pt 接触，图案化直径分别为 100 $\mu$ m、200 $\mu$ m 和 300 $\mu$ m。
场板终止结构： 一种高介电常数电介质堆叠，包含一层薄（~~9.7 nm）ALD Al $_2$ O $_3$ （用于保护界面）和一层厚（~~160 nm）溅射 TiO $_2$ ，并以 Pt/PtO $_x$ 堆叠封顶。场板长度相对于二极管直径进行缩放（30–60 $\mu$ m）。
表征： 对带有和不带场板的器件进行了测试。为了防止在高达 10 kV 时发生空气击穿，反向击穿测试是在 FC-40 Fluorinert 绝缘液体中进行的。在 25–150 °C 下对正向传输和反向漏电流进行了高温性能评估。利用 2D Silvaco Atlas 仿真分析了击穿时的电场分布。

关键结果

击穿电压与边缘终止：
- 不带场板的 SBD 实现了 3.05 kV 至 3.16 kV 的击穿电压 ( $V_{br}$ )。
- 引入 TiO $_2$ /Al $_2$ O $_3$ 场板显著增强了 $V_{br}$ ，使其达到 3.90 kV – 4.16 kV 的范围。
- 至关重要的是，击穿电压在不同二极管面积（100–300 $\mu$ m）之间表现出极佳的一致性，表明 (011) 取向有效地缓解了由位错缺陷引起的面积相关漏电。
- 仿真显示，肖特基中心处的平行平面峰值电场为 1.9 MV/cm，而场板边缘在 Al $_2$ O $_3$ 界面处达到 4.3 MV/cm，在 TiO $_2$ 薄膜内约为 2.1 MV/cm。对电介质组件的单独测试表明，溅射 TiO $_2$ 薄膜在 1.2 MV/cm 时表现出高漏电流导致的退化，而 ALD Al $_2$ O $_3$ 可承受高达 6.2 MV/cm。因此，器件的击穿很可能是由 TiO $_2$ 层的电介质失效决定的。
正向传输特性：
- 二极管表现出接近单位值的理想因子和 1.44 eV 至 1.51 eV 的肖特基势垒高度 (SBH)，表明其传输机制以热电子发射为主。
- 提取的单位面积导通电阻 ( $R_{on,sp}$ ) 分别为 100, 200, 和 300 $\mu$ m 二极管的 35.99, 41.50, 和 46.32 m $\Omega$ -cm $^2$ 。
- 导通电阻的温度系数 ( $\alpha$ ) 计算为 1.97，这与 $\beta$ -Ga $_2$ O $_3$ 的迁移率退化趋势一致。
高温性能：
- 在高达 150 °C 的温度下，带场板的二极管保持了 ~10 $^9$ 的整流比，并表现出优异的正向传输特性。
- 在高温（75–150 °C）下的反向偏压测试显示了千伏级的击穿电压（~1.0 – 1.33 kV）。虽然这些数值受限于空气击穿（由于无法在高温下使用 Fluorinert），但器件表现出了与室温性能相当的极低漏电流。
- 与通常因陷阱辅助效应而在高温下漏电流增加数个数量级的传统 (001) 器件不同，(011) 器件表现出极小的关断状态电流退化。

意义与主张
本文声称，通过结合具有减少“杀手”位错效应和低背景掺杂特征的 (011) $\beta$ -Ga $_2$ O $_3$ 外延层，以及通过高介电常数电介质场板进行的有效电场管理，可以实现千伏级垂直功率器件。这项工作证明，这种特定的材料和设计策略使得以下目标成为可能：

可扩展性： 击穿电压与二极管面积的独立性表明，向大面积功率模块扩展这些器件具有可行路径。
高温稳定性： 在 150 °C 下仍能保持 kV 级阻断能力和低漏电流的能力，突显了 (011) $\beta$ -Ga $_2$ O $_3$ SBD 用于高温功率开关应用的潜力，而传统的 (001) 器件可能会因漏电而失效。
材料优势： 本研究验证了 (011) 取向作为垂直功率器件优于 (001) 的替代方案，有效地解决了非故意掺杂和位错诱导漏电的局限性。

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