氮掺杂保护环与台面终端结构的低正向电压Ga₂O₃垂直肖特基势垒二极管研究进展

一、研究团队与发表信息
本研究成果由Xueli Han（中国科学院上海光学精密机械研究所）、Xiaorui Xu（福州大学物理与信息工程学院）等联合团队完成，发表于《Applied Physics Letters》2025年7月刊（Volume 127, 032110），DOI编号10.¹⁰⁶³⁄₅.0276560。

二、学术背景与研究目标
β-Ga₂O₃（氧化镓）因其宽禁带（4.5–4.9 eV）、高临界电场强度（8 MV/cm）及优异的Baliga品质因数（3444）被视为下一代功率电子器件的理想材料。然而，Ga₂O₃缺乏有效的p型掺杂，导致其终端技术难以直接借鉴成熟的Si/SiC器件方案，制约了器件性能的进一步提升。

本研究旨在解决两个关键问题：
1. 高反向击穿电压（BV）与低正向导通电压（Vf）的矛盾：传统终端结构（如台面终端，Mesa Termination, MT）虽能优化电场分布，但浅台面无法充分缓解阳极边缘电场集中，而深台面又易引入界面缺陷。
2. 低导通损耗需求：现有高BV设计常采用高势垒金属或NiO阳极，但会牺牲Vf性能。

为此，团队提出了一种复合终端结构——氮掺杂保护环联合浅台面终端（NMT-SBD），通过氮离子注入形成保护环（NPR）优化电场分布，同时实现2.87 kV高BV与1.3 V（@100 A/cm²）低Vf。

三、研究流程与方法
1. 器件设计与制备
- 衬底选择：采用MOCVD外延生长的β-Ga₂O₃晶圆（具体参数见补充材料）。
- 氮掺杂保护环（NPR）形成：
- 通过四次氮离子注入（能量/剂量：200 keV/2.8×10¹⁴ cm⁻²至30 keV/6.0×10¹³ cm⁻²）实现盒式掺杂分布（深度~300 nm，浓度~1.5×10¹⁹ cm⁻³）。
- 注入后1100°C氮气退火30分钟，激活杂质并修复晶格损伤。
- 台面刻蚀：以Ni为掩膜，BCL₃基干法刻蚀形成1.45 μm深台面。
- 电极与钝化：阳极采用Ni/Ti/Au多层金属，背面阴极经450°C快速退火优化欧姆接触，最后以SU-8光刻胶钝化。

1. 对比实验设计

   • 制备三类器件：NMT-SBD（含NPR+MT）、MT-SBD（仅MT）、参考SBD（无终端），每组测试超过10个样本以确保统计显著性。
     

2. 表征与仿真

   • 电学测试：通过J-V曲线测量BV、Ron,sp（特定导通电阻）及Vf。
     
   • TCAD仿真：使用Sentaurus软件模拟电场分布及泄漏电流机制，验证NPR的电场调控效果。
     

四、主要研究结果
1. 电学性能突破
- NMT-SBD的BV达2.87 kV（MT-SBD仅1.62 kV），Ron,sp为3.68 mΩ·cm²，功率品质因数（PFOM）高达2.24 GW/cm²，超越SiC单极极限。
- 低Vf（1.3 V@100 A/cm²）源于Ni/Ga₂O₃低势垒接触的保留，较传统高BV设计降低导通损耗40%以上。

1. 电场优化机制

   • 仿真显示：NPR将阳极边缘电场从5.9 MV/cm（MT-SBD）降至1.8 MV/cm，显著抑制隧穿电流（gt）。
     
   • 参数敏感性分析表明：NPR深度（dn）与掺杂浓度（npr）是优化电场的关键，而宽度（wn）影响较小（补充材料III）。
     

2. 工艺鲁棒性

   • 干法刻蚀诱导的表面电荷密度（Q）需控制在1.5×10¹² cm⁻²以下，否则会加剧电场畸变（图4e）。
     

五、结论与价值
1. 科学价值
- 首次将氮掺杂保护环与浅台面终端结合，为Ga₂O₃功率器件提供了一种兼容高BV与低Vf的终端设计方案。
- 揭示了NPR通过调控阳极边缘电场降低泄漏电流的物理机制，弥补了Ga₂O₃缺乏p型掺杂的工艺短板。

1. 应用前景
   
   • 该器件适用于高压直流输电、新能源汽车逆变器等场景，有望提升系统能效10%以上。
     
   • 工艺兼容现有半导体产线，为Ga₂O₃功率器件的产业化提供了可行路径。
     

六、研究亮点
1. 创新结构设计：NPR在阳极沉积前形成，允许高温退火，解决了离子注入后热处理受限的行业难题。
2. 性能标杆：2.87 kV BV与1.3 V Vf的综合指标处于Ga₂O₃垂直SBD领域领先水平（图5）。
3. 可扩展性：该方案可推广至其他宽禁带半导体（如金刚石、AlN）的终端技术开发。

七、其他发现
- 补充实验显示：SU-8钝化层能有效抑制台面侧壁界面态，泄漏电流机制符合Frenkel-Poole发射模型（图2d）。
- 国家重点研发计划（2022YFB3605500）与福建省自然科学基金（2024J01252）为本研究提供支持。