南京邮电大学唐为华教授团队实现 Ga?O? 肖特基二极管性能与可靠性提升

近日，由南京邮电大学唐为华教授、李山副教授、季学强副教授等联合北京邮电大学的研究团队在学术期刊 Chinese Physics B 发布了一篇名为 Enhanced Performance and Reliability in Ga?O? Schottky Barrier Diodes with Field Plate Assisted Mesa Termination（采用场板辅助台面端部结构的 Ga?O? 肖特基势垒二极管的性能与可靠性提升）的文章。

背   景

超宽禁带 Ga?O? 半导体凭借 8?MV/cm 的理论击穿场强，在高压功率电子器件领域拥有巨大应用前景。肖特基势垒二极管作为单极性功率器件，制备工艺简单，是 Ga?O? 功率器件的重要发展方向，但器件阳极边缘电场集中效应会诱发提前雪崩击穿，造成漏电流恶化，实际耐压远低于材料理论极限。现有多种端部终端技术可以缓解电场集聚，单一台面终端仅能转移电场峰值，无法充分抑制边缘电场，器件性能提升有限。各类复合终端结构的电场调制机理、温度特性以及长期电应力可靠性缺少系统定量研究，制约高性能 Ga?O? 肖特基二极管的实际应用，亟需开发兼顾静态耐压、导通特性与工作稳定性的复合终端器件方案。

主要内容

本工作研究场板辅助台面二极管（FPM-SBD）缓解边缘电场集聚以提升 Ga?O? 肖特基势垒二极管击穿电压，并对器件温度特性与长期可靠性开展研究。通过刻蚀台面缓解阳极边缘电场集中，再引入场板进一步降低阳极边缘电场。得益于有效的终端结构，制备得到的 FPM-SBD 击穿电压达到 1950?V，为无终端参考器件的 5.2 倍；反向漏电流降低一个数量级，由参考器件 REF-SBD 的 3.0?×?10???A/cm2 降至 8.0?×?10?? A/cm2；器件比导通电阻为 7.9 mΩ?cm2。TCAD 仿真证实该复合终端设计通过异质结处载流子输运抑制与终端区电场分布调控，将正向导通特性与反向击穿物理解耦。同时器件具备良好高温与长时间工作稳定性。经过 15?ks 正向偏置应力测试后，开启电压增量 ΔVon 仅退化 1.5%。本研究为结构简易的大功率 Ga?O? 肖特基二极管的设计与发展奠定坚实的实验基础。

创新点

①提出适用于 Ga?O? 肖特基势垒二极管的场板-台面复合终端结构 FPM-SBD，缓解阳极边缘电场集中。

②实现 1950?V 击穿电压，反向漏电流降低一个数量级，比导通电阻达到 7.9 mΩ?cm2。

③TCAD 仿真阐明台面-场板复合终端的电场重新分布物理机制。

④系统表征器件温度依赖特性以及 15?ks 长时间正向偏置应力可靠性。

结   论

综上，该团队设计简易场板辅助台面终端结构，制备得到高性能垂直结构 Ga?O? 肖特基势垒二极管。场板用于缓解电场集聚效应，实现表面电场均匀分布；台面终端限制载流子输运、扩展耗尽层，实现击穿电压提升与反向漏电流抑制。该结构设计可有效降低电场峰值，综上，该团队设计简易场板辅助台面终端结构，制备得到高性能垂直结构 Ga?O? 肖特基势垒二极管。场板用于缓解电场集聚效应，实现表面电场均匀分布；台面终端限制载流子输运、扩展耗尽层，实现击穿电压提升与反向漏电流抑制。该结构设计可有效降低电场峰值，同时对正向输运特性影响很小，器件实现 6?×?1011 的高正向电流密度比、1950?V 高击穿电压以及 1?×?10?1??A 低反向漏电流。本研究为推动后续 Ga?O? 基大功率器件商业化应用提供重要参考。同时对正向输运特性影响很小，器件实现 6?×?1011 的高正向电流密度比、1950?V 高击穿电压以及 1?×?10?1??A 低反向漏电流。本研究为推动后续 Ga?O? 基大功率器件商业化应用提供重要参考。

项目支持

本研究得到江苏省前沿技术研发计划（BF2025078）、江苏省自然科学基金（BK20230361、BK20250657）、南京邮电大学人才引进自然科学科研启动基金（NY224052）资助。

图 1 (a) REF-SBD 器件示意图；(b) FPM-SBD 器件示意图；(c) FPM-SBD 扫描电镜图；(d) 全部器件的 C-V 特性曲线；(e) FPM-SBD 制备工艺流程示意图。

图 2 SBD 与 FPM-SBD 正向电学特性：(a) 线性坐标正向 J-V 与 Ron-V 曲线；(b) Ln (J)-V 曲线，插图为由 Ln (J)-V 提取得到的理想因子 n 与势垒高度。

图 3 Ga?O? 肖特基二极管：(a) 反向 I-V 特性；(b) REF-SBD 与 (c) FPM-SBD 电场分布仿真图，附带提取得到的 Ga?O? 表面电场横向分布。

图 4 温度依赖正向 J-V 特性：(a) REF-SBD，(b) FPM-SBD；(c) REF-SBD、(d) FPM-SBD 由 J-V 曲线提取得到的势垒高度变化；(e) REF-SBD 与 (f) FPM-SBD 反向 I-V 特性。

图 5 (a) REF-SBD、(b) FPM-SBD 经过正向偏置应力后的 J-V 特性；提取得到的 (c) ΔVon 与 (d) ΔRon。

DOI：

doi.org/10.1088/1674?1056/ae9c20

文章由南京邮电大学季学强副教授供稿。

来源：亚洲氧化镓联盟

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