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福州大學朱敏敏教授團隊:垂直β-Ga?O?肖特基勢壘二極管的理論分析,采用p-NiO場限制環以實現高P-FOM性能

由福州大學朱敏敏教授團隊在學術期刊 IEEE Journal of the Electron Devices Society 發布了一篇名為 Theoretical Analysis of Vertical β-Ga2O3 Schottky Barrier Diodes With p-NiO Field Limiting Rings for High P-FOM Performance(垂直 β-Ga2O肖特基勢壘二極管的理論分析,采用 p-NiO 場限制環以實現高 P-FOM 性能)的文章。

1. 項目支持

本研究得到福建省科技計劃項目基金(No.2022I0006)、福建省教育廳青年中青年教師教育研究項目基金(No.JAT220026)以及福建省科技重大項目基金(No.2022HZ027006)的支持。 

2. 背景

近年來,基于 β-Ga2O3 的功率器件得到了廣泛研究,因為它具有 4.5-4.9 eV 的寬禁帶和 8 MV/cm的估計高臨界擊穿電場,以及高達 3000 的巴利加優值(BFOM=?μEC3),這優于 GaN 或 SiC 等其他寬禁帶材料。然而,由于缺乏 p 型 β-Ga2O3,限制了基于 β-Ga2O3 的功率器件的性能。為了獲得更好的性能,提出了帶有邊緣終止結構的 β-Ga2O3 SBD。

3. 主要內容

近年來,基于 Ga2O3 的功率器件受到了廣泛研究。由于缺乏 p 型 Ga2O3,基于 Ga2O3 的功率器件性能受到較大限制。為了獲得更好的性能,提出了許多具有邊緣終止(ET)的 Ga2O3 肖特基勢壘二極管(SBD)。在本研究中,將 p-NiO 場限環(FLRs)引入 Ga2O3 SBD,以提升功率性能指標(P-FOM)并簡化當前高性能邊緣終止結構的制造工藝復雜性。FLRs 的植入可削弱峰值電場強度并水平方向擴展耗盡區。通過 TCAD 仿真進一步探索器件某些參數對器件性能的影響,帶 FLRs 的 SBD 的擊穿電壓(BV)/特定導通電阻(Ron,sp)可達 5340 V/3.748 mΩ·cm2,且 P-FOM = BV2/Ron,sp 可達 7. 61 GW/cm2,并實現了0.9 V的導通電壓(Von)。與具有近似 P-FOM 值的器件相比,本文提出的 Ga2O3 SBD與 p-NiO FLRs 的制造工藝相對簡單。這種具有 FLRs 的 Ga2O3 SBD在未來高功率應用中具有巨大潛力。

4. 創新點

● 首次提出在 β−Ga2O3 SBD 中引入 p-NiO FLRs,以提高 P-FOM 并降低高性能邊緣終止結構制造工藝的復雜性。

● 植入 FLR 從而削弱峰值電場強度并沿水平方向擴展耗盡區,從而改善器件的擊穿特性 。

● 與具有近似 P-FOM 值的器件相比,所提出的帶有 p-NiO FLRs 的 β−Ga2O3 SBD 的制造工藝相對簡單 。

5. 總結

本研究提出了一種采用 p 型 NiO 功能層(FLRs)的SBD結構,以提升現有 SBD 的 P-FOM 性能。通過分析發現,在 NiO/Ga2O3 SBD 中,擊穿電壓對摻雜濃度、NiO 厚度、FLRs 的間距和數量以及間距模式等參數具有顯著依賴性。最終實現了 BV/Ron,sp 為 5340 V/3.748 mΩ·cm2,以及 P-FOM 為 7.61 GW/cm2 的性能。該器件優異的 P-FOM 性能表明,在 Ga2O功率電子器件中引入 p-NiO 具有巨大潛力。

圖1. (a) 3D和(b) 2D截面示意圖,展示了帶FLR的SBD結構。

圖2. 垂直 NiO/β-Ga2O3 HJD 的(a)正向 J-V 特性和(b)反向 J-V 特性的截面示意圖。圖(a)中的插圖顯示了垂直 NiO/β-Ga2O3 HJD 在反向偏壓為 0.94 kV 時的二維電場分布。(c) 該 HJD 在 100 kHz 頻率下測得的 C-V 特性曲線及 1/C2-V 特性曲線。

DOI:

doi.org/10.1109/JEDS.2025.3571053

本文轉發自《亞洲氧化鎵聯盟》訂閱號

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