降低 SiO2 层中的电场强度会增加 β-Ga2O3 肖特基势垒二极管的击穿电压

日本的一个团队通过在填充游戏 SiO2 的深沟槽上引入阶梯场板来提高其 β-Ga2O3 肖特基势垒二极管的阻断电压。

这种由国立通信技术研究所 (NICT) 东京农业科技大学的研究人员实现的新架构已将二极管的阻断电压从 1.43 kV 提高到 1.66 kV。

该团队的成功是朝着实现β-Ga2O3功率器件的承诺又迈出了一步。由这种氧化物生产的二极管和晶体管有可能超越由 SiC 和 GaN 制成的二极管和晶体管，而制造成本可能较低且相对简单，这要归功于从块体中生长的原生衬底的可用性。

日本团队最新二极管的一个缺点是它的高阻断电压是以增加导通电阻为代价的，随着新架构的引入，导通电阻从 4.7 mΩ cm2 攀升至 7.6 mΩ cm2。

根据 NICT 的团队发言人 Masataka Higashiwaki 的说法，如果阻断电压可以超过 2 kV，而导通电阻保持在 5 mΩ cm2 以下，这将是功率器件界的一项重要成就。

鉴于与高阻断电压器件相关的相对高电阻并非来自根本问题，这方面的成功可能指日可待。相反，它源于加工中的一个弱点：在退火过程中形成的表面耗尽区域的不完全去除。 “我们认为通过稍微优化工艺条件来降低导通电阻相对容易，”Higashiwaki 说。

该团队通过制造和研究三种不同的设计，确定了他们的 β-Ga2O3肖特基势垒二极管的优越架构：使用传统场板的控制，以及带有阶梯式场板和沟槽阶梯式场板的变体。

使用 Silvaco Atlas 软件对所有三种设计进行建模表明，对于具有传统场板和阶梯场板的架构，阻挡 2 kV 会导致 SiO2 层中的峰值电场达到 12.9 MV cm-1 和 12.8 MV cm-1 ， 分别。由于 SiO2 的理论击穿电场仅为 10 MV cm-1，因此两种设计都可能在低于 2 kV 时失效。可以预期沟槽阶梯场板架构具有更好的性能，因为它在阻挡 2 kV 时在 SiO2 层中具有 10.0 MV cm-1 的峰值电场。

所有三种设计的器件都是通过 HVPE 在 n+ Ga2O3 (001) 衬底上生长 13 µm 厚的 n 型 Ga2O3 层形成的。二极管制造需要几个步骤，包括蚀刻、SiO2 的等离子体增强 CVD，以及通过蒸发和剥离添加金属触点。

东胁说，即使是用于形成沟槽阶梯场板架构的工艺也没有那么复杂。 “即使是批量生产也可以接受。”

击穿电压的测量反映了模拟提供的见解，具有传统场板的二极管在 980 V 下场失效，阶梯式场板的变体在 1530 kV 下击穿，而沟槽阶梯场板的变体能够承受高达 1660五。

对最令人印象深刻的设备进行基准测试表明，它在击穿电压和导通电阻的组合方面产生了最先进的效果。

虽然康奈尔大学的一个团队使用简单的沟槽肖特基势垒二极管报告了更高的击穿电压值，但这是以更高的导通电阻为代价的。

在谈到不同设计的优缺点时，Higashiwaki 说：“康奈尔开发的简单沟槽肖特基势垒二极管适用于提高击穿电压；然而，有源区域变小，导致导通电阻增加。”请注意，采用沟槽阶梯场板设计，没有牺牲有源区。

该团队一直打算将为其肖特基势垒二极管开发的蚀刻工艺应用于垂直 FET。他们现在正在追求这个目标。

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