《β-Ga₂O₃功率二极管研究进展综述》学术报告

作者及机构
本文由复旦大学微电子学院的Yongjie He、Feiyang Zhao、Bin Huang、Tianyi Zhang以及Hao Zhu（通讯作者）合作完成，同时Hao Zhu亦隶属于国家集成电路创新中心（上海）。该综述于2024年4月18日发表于期刊《Materials》（2024年第17卷，第1870页），隶属于开源期刊MDPI旗下，遵循CC BY 4.0许可协议。

主题与背景
本文聚焦于超宽禁带半导体材料β相氧化镓（β-Ga₂O₃）在功率二极管领域的研究进展。β-Ga₂O₃因其4.7–4.9 eV的超宽禁带、8 MV/cm的临界击穿电场强度以及高达3444的巴利加优值（Baliga’s figure of merit, BFOM），其性能理论值远超碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN），且可通过熔融法制备低成本、大尺寸、可控掺杂的晶圆，成为下一代高功率器件的理想候选材料。然而，β-Ga₂O₃缺乏有效的p型掺杂，限制了双极器件的发展，当前研究主要集中于单极器件（如肖特基势垒二极管，Schottky Barrier Diodes, SBDs）。

核心内容与结构
1. 材料特性与制备技术
- 晶体结构：β-Ga₂O₃为单斜晶系（C2/m空间群），由GaO₄四面体和GaO₆八面体构成单元晶胞，具有显著的各向异性。其（100）和（001）晶面易于机械剥离，可用于二维材料开发。
- 生长方法：主流技术包括边缘限定薄膜生长法（EFG）、垂直布里奇曼法（VB）和卤化物气相外延（HVPE）。其中，EFG技术已实现6英寸晶圆量产，成本仅为SiC晶圆的1/3。
- 性能优势：对比Si、SiC和GaN，β-Ga₂O₃的BFOM为SiC的10倍、GaN的4倍，但其热导率较低（0.1–0.3 W/cm·K），需通过异质键合或衬底减薄等技术解决散热问题。

1. 金属/β-Ga₂O₃接触特性

   • 肖特基接触（Schottky Contact）：Ni、Pt等金属可形成高质量肖特基接触，但势垒高度（SBH）受界面态影响显著，氧等离子体处理可降低界面态密度。金属氧化物（如IrOₓ）电极在高温下表现优异，350℃时反向漏电流低至2.3×10⁻⁹ A/cm²。
     
   • 欧姆接触（Ohmic Contact）：Ti/Au是常用组合，通过470℃退火可实现接触电阻率低至8.3×10⁻⁷ Ω·cm²。
     

2. 功率二极管结构创新

   • 垂直结构SBDs：
     
     • 场板结构（Field Plate, FP）：通过SiO₂/SiNₓ双层介质缓解电极边缘电场集中，使击穿电压（BV）从148 V提升至687 V（采用BaTiO₃高k介质）。
       
     • 边缘终端结构（Edge Termination）：离子注入（如Ar⁺）或热氧化形成高阻区，BV可达6 kV（SiO₂填充深槽结构），功率优值（PFOM=BV²/Ron）达10.6 GW/cm²。
       
     • 沟槽MOS结构（Trench MOS）：通过MOS界面耗尽降低漏电，BV达3.4 kV，反向恢复时间（trr）仅7.6 ns，性能媲美商用SiC SBDs。
       
   • 异质结二极管（Heterojunction Diodes, HJDs）：利用p型NiO与β-Ga₂O₃形成p-n异质结，PFOM达13.2 GW/cm²，为无p型Ga₂O₃的解决方案。
     
   • 横向结构二极管：通过优化外延层设计，横向SBDs的BV突破10 kV。
     

3. 热管理与电路应用

   • 散热挑战：β-Ga₂O₃的低热导率可通过金刚石异质集成（热导率20 W/cm·K）或结侧冷却技术缓解。
     
   • 电路性能：β-Ga₂O₃ SBDs在快速开关电路中表现优异，反向恢复电荷（Qrr）仅为Si器件的1.7%，适用于新能源发电与电动汽车等领域。
     

研究意义与亮点
1. 科学价值：系统总结了β-Ga₂O₃功率二极管的结构设计、性能优化及商业化进展，填补了该领域综述性研究的空白。
2. 技术突破：
- 提出多种终端结构（如阶梯场板、斜角台面）以优化电场分布，BV提升至6 kV。
- 创新性采用高k介质（BaTiO₃）作为场板，PFOM提升至1.47 GW/cm²。
3. 应用前景：日本Novel Crystal Technology公司已发布1200 V/1 A级β-Ga₂O₃沟槽SBDs，标志着其产业化进程加速。

局限性
β-Ga₂O₃的p型掺杂难题尚未突破，且低热导率仍需通过封装技术弥补。未来研究可聚焦于p型材料开发及三维集成散热方案。

本文为宽禁带半导体功率器件的设计与应用提供了重要参考，推动了β-Ga₂O₃在高功率电子领域的实用化进程。