美國康奈爾大學(xué)和日本的新型晶體技術(shù)公司近期聲稱單斜形β－多晶型氧化鎵（β－Ga2O3）肖特基勢(shì)壘二極管（SBD）具有最低的泄漏電流。在相對(duì)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(jié)構(gòu)制作鰭片，側(cè)壁上有金屬 － 絕緣體 － 半導(dǎo)體（MIS）疊層，以減少表面場(chǎng)效應(yīng)，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(yīng)用的特性：具有4．5eV的寬帶隙，可以高達(dá)8MV／cm 的高臨界電場(chǎng)，以及200cm2 ／ V－s的電子遷移率。該類器件還可以應(yīng)用在惡劣和高溫條件下。使用熔體生長(zhǎng)法可以生產(chǎn)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(rèn)為較窄的鰭片會(huì)在頂部表面附近產(chǎn)生較低的電場(chǎng)。在10μm的漂移層上存在2x10E16·cm－3的均勻凈摻雜，這對(duì)改善性能起到了重要作用。
圖1：（a）β－Ga2O3溝槽肖特基勢(shì)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(chǎng)分布。
首先是合成背陰極：進(jìn)行第一反應(yīng)離子蝕刻（RIE）以改善接觸的歐姆性質(zhì)，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(cè)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(cè)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(jié)構(gòu)的Ni ／ Pt肖特基二極管。目前的密度是根據(jù)設(shè)備面積而不是翅片面積來計(jì)算的。兩種設(shè)備的理想因子為1．08。溝槽SBD的肖特基勢(shì)壘高度為1．40eV，而常規(guī)器件的肖特基勢(shì)壘高度為1．35eV。增加的有效勢(shì)壘高度歸因于溝槽側(cè)壁上的相鄰金屬氧化物半導(dǎo)體結(jié)。
通過脈沖測(cè)量來避免自熱效應(yīng)。與常規(guī)裝置相比，流過散熱片的電流限制區(qū)域會(huì)導(dǎo)致電流密度降低。溝槽SBD的具體差分導(dǎo)通電阻為15mΩ－cm2，而常規(guī)器件的導(dǎo)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(yīng)。該研究推斷“陷阱必須位于溝槽MIS結(jié)構(gòu)”。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(jì)，假設(shè)陷阱電子片密度為～8x10E11·cm－2時(shí)，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(zhì)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(dāng)反向偏壓低于1000V時(shí)，漏電流小于0．1μA· cm－2，這相當(dāng)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(zhǔn)圖。（a）差分特定導(dǎo)通電阻（Ron，sp，不包括導(dǎo)通電壓）與反向漏電流密度為1mA·cm－2時(shí)規(guī)定的阻斷電壓。（b）泄漏電流密度為報(bào)告的擊穿電壓的80％與報(bào)告的硬擊穿電壓之間的關(guān)系。
該團(tuán)隊(duì)將β－Ga2O3 SBD的性能與其他報(bào)告進(jìn)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(dǎo)通電阻與先前報(bào)道的溝槽器件相比有著明顯的改善。該團(tuán)隊(duì)說：“與我們之前的結(jié)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(bǔ)償，導(dǎo)通電阻大大降低。”
同時(shí)該團(tuán)隊(duì)還比較了在80％擊穿時(shí)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(tuán)隊(duì)的常規(guī)SBD表現(xiàn)出與其他報(bào)告相似的表現(xiàn)。因此，較低的泄漏可能歸因于溝槽結(jié)構(gòu)本身。
該團(tuán)隊(duì)目前期望通過減少M(fèi)IS結(jié)構(gòu)中的捕獲效應(yīng)并進(jìn)行更好的現(xiàn)場(chǎng)控制來突破Ga2O3理論材料的限制。