中国科大龙世兵团队低温退火改善β-Ga₂O₃二极管界面质量的研究

摘要：该项研究得到国家自然科学基金项目（U23A20358、62234007、62474170、62404214 和 61925110）、国家重点研发计划项目（2024YFE0205200）、湖南省长沙市揭榜挂帅项目（kq2301006）、中科院苏州纳米技术与纳米仿

由中国科学技术大学的研究团队在学术期刊Applied Physics Letters 发布了一篇名为 Improvement of interface quality through low-temperature annealing in β-Ga2O3 diode with compounded mesa and junction termination extension（通过低温退火改善具有复合台面和结终端扩展的 β-Ga2O3 二极管的界面质量）的文章。

01 项目支持

该项研究得到国家自然科学基金项目（U23A20358、62234007、62474170、62404214 和 61925110）、国家重点研发计划项目（2024YFE0205200）、湖南省长沙市揭榜挂帅项目（kq2301006）、中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 “纳米器件及应用 ”重点实验室开放课题等的资助。研究部分工作在中国科学技术大学微纳研究与制造中心、信息科学实验中心和理化中心完成。

02 背景

β-Ga2O3 因其超宽禁带（4.5–4.9 eV）、高临界电场（8 MV/cm）和低成本单晶生长工艺，在高压功率电子器件中具有巨大潜力。然而，在肖特基势垒二极管（SBDs）中，终端结构的优化对于提升击穿电压至关重要。其中， mesa技术因其简单的制造流程和高效的电场管理能力受到关注。然而，干法刻蚀过程中会引入界面缺陷，影响终端结构的性能。该团队提出低温退火工艺，以消除刻蚀损伤，提高界面质量，从而优化二极管的击穿特性。

03 主要内容

超宽禁带半导体 β-Ga2O3 促进了具有高击穿电压和低功率损耗的肖特基势垒二极管的发展。设计有效的终端结构是发挥 β-Ga2O3 功率二极管优势的关键步骤。在各种类型的终端结构中，mesa 技术的特点是制备工艺简单，而且理论上在 β-Ga2O3 器件中具有高效的电场管理能力。为了进一步降低沿台面侧壁和沟槽底部的峰值电场，研究团队采用了 p 型氧化镍结终端扩展（JTE）结构。然而，深能级瞬态光谱发现，在 EC-0.28 eV 处存在一个新的浅能级，这与干法蚀刻诱导的界面态有关，是 JTE 结构效应减弱和电性能不稳定的原因。研究团队提出了一种低温后退火工艺来消除界面态，从而实现更好的电荷平衡，并在不牺牲正向特性的情况下将复合终端器件的击穿电压从 1.35 kV 提高到 2.1 kV。这项研究揭示了 β-Ga2O3 干法蚀刻引入的界面态相关能级，有助于制造高性能器件。

04 结论

通过在氮气中 275℃ 下进行 3 分钟的快速热退火（RTA）优化界面质量，成功展示了具有 PFOM 0.86GW/cm2 的高性能 Ni/β-Ga2O3 CMJ-SBD。深能级瞬态谱（DLTS）显示，在 EC-0.28eV 处存在浅能级，这与干法刻蚀损伤有关。该浅能级参与电荷载流子捕获，导致电流密度降低，表现出电子陷阱特性。后退火已被证明能有效消除干法刻蚀损伤引起的界面态，使 JTE 结构能够充分优化电场分布。这导致更高的击穿电压（VBR）和更稳定的正向导通特性。这项工作强调了在开发 β-Ga2O3 SBD 时进一步改善 p 型氧化物 NiO 与刻蚀 β-Ga2O3 之间界面质量的必要性。

05 图文内容