美國康奈爾大學和日本的新型晶體技術公司近期聲稱單斜形β－多晶型氧化鎵（β－Ga2O3）肖特基勢壘二極管（SBD）具有最低的泄漏電流。在相對較高的擊穿電壓1232V下，顯示出低的泄漏電流密度小于1μA·cm－2。

該器件采用溝槽結構制作鰭片，側壁上有金屬 － 絕緣體 － 半導體（MIS）疊層，以減少表面場效應，抑制反向偏壓下的泄漏。

氧化鎵具有許多可用于高功率電子和射頻放大器應用的特性：具有4．5eV的寬帶隙，可以高達8MV／cm 的高臨界電場，以及200cm2 ／ V－s的電子遷移率。該類器件還可以應用在惡劣和高溫條件下。使用熔體生長法可以生產商業(yè)化單晶體Ga2O3基板。

研究人員使用鹵化物氣相外延（HVPE）來合成SBD的器件層（圖1）。鰭片面積比約是鰭片＋溝槽間距的60％。在模擬中，研究人員認為較窄的鰭片會在頂部表面附近產生較低的電場。在10μm的漂移層上存在2x10E16·cm－3的均勻凈摻雜，這對改善性能起到了重要作用。

圖1：（a）β－Ga2O3溝槽肖特基勢壘二極管的示意性橫截面。（b）在（a）中沿翅片中心的垂直虛線切割線處的1200V反向偏壓下的模擬電場分布。

首先是合成背陰極：進行第一反應離子蝕刻（RIE）以改善接觸的歐姆性質，然后再蒸發(fā)和退火鈦／金（Ti ／ Au）接觸金屬。

然后使用鎳／鉑（Ni ／ Pt）作為用于溝槽RIE蝕刻的硬掩模和最終器件的肖特基接觸來圖案化外延晶片的正面。將溝槽蝕刻至2μm的深度，使翅片通道沿［010］方向取向。翅片側壁被描述為“接近垂直”。

之后使用原子層沉積（ALD）將溝槽襯以氧化鋁（Al2O3）。通過鰭片頂部的氧化鋁的干蝕刻暴露出鎳／鉑肖特基接觸。通過在溝槽側壁上濺射鉻／鉑（Cr ／ Pt）來完成該器件。

為了比較，研究人員還制造出沒有鰭結構的Ni ／ Pt肖特基二極管。目前的密度是根據(jù)設備面積而不是翅片面積來計算的。兩種設備的理想因子為1．08。溝槽SBD的肖特基勢壘高度為1．40eV，而常規(guī)器件的肖特基勢壘高度為1．35eV。增加的有效勢壘高度歸因于溝槽側壁上的相鄰金屬氧化物半導體結。

通過脈沖測量來避免自熱效應。與常規(guī)裝置相比，流過散熱片的電流限制區(qū)域會導致電流密度降低。溝槽SBD的具體差分導通電阻為15mΩ－cm2，而常規(guī)器件的導通電阻為6．6mΩ－cm2。

溝槽SBD還在常規(guī)器件中未見的電壓掃描中發(fā)生俘獲效應。該研究推斷“陷阱必須位于溝槽MIS結構”。被捕獲的電荷增加了鰭片的耗盡，限制了電流。研究人員估計，假設陷阱電子片密度為～8x10E11·cm－2時，在零偏壓下，額外的耗盡厚度為170nm。

研究人員提出，采用Al2O3電介質的后沉積退火（PDA）可以減少俘獲，并且在干蝕刻后可以改善Ga2O3表面的表面處理。

溝槽SBD在反向偏壓上展現(xiàn)出更好的性能——該器件的擊穿電壓為1232V，而普通器件的則為734V。最佳性能的溝槽SBD的鰭片寬2μm。擊穿前的漏電流小于1μA·cm－2，當反向偏壓低于1000V時，漏電流小于0．1μA· cm－2，這相當于功耗小于0．1mW·cm－2。鰭片越寬的器件則它的泄漏更高的和擊穿電壓更低。

圖2：性能最優(yōu)的β－Ga2O3 SBD的基準圖。（a）差分特定導通電阻（Ron，sp，不包括導通電壓）與反向漏電流密度為1mA·cm－2時規(guī)定的阻斷電壓。（b）泄漏電流密度為報告的擊穿電壓的80％與報告的硬擊穿電壓之間的關系。

該團隊將β－Ga2O3 SBD的性能與其他報告進行了比較（圖2）。在1mA · cm－2 電流密度下的阻斷電壓相比，特定的差分導通電阻與先前報道的溝槽器件相比有著明顯的改善。該團隊說：“與我們之前的結果相比，由于摻雜分布更均勻，中等水平的電子密度（～2x10E16·cm－3）和更少的載流子補償，導通電阻大大降低?！?

同時該團隊還比較了在80％擊穿時的反向泄漏和擊穿電壓。與常規(guī)器件相比，溝槽SBD中的泄漏更低。該團隊的常規(guī)SBD表現(xiàn)出與其他報告相似的表現(xiàn)。因此，較低的泄漏可能歸因于溝槽結構本身。

該團隊目前期望通過減少MIS結構中的捕獲效應并進行更好的現(xiàn)場控制來突破Ga2O3理論材料的限制。

2018-12-13  來源：OFweek電子工程網(wǎng)

文章關鍵詞： 韋爾半導體股份 香港華清電子(集團)有限公司 氧化鎵溝槽肖特基勢壘二極管

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