氧化镓功率器件研究成果

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研究内容

随着电力电子技术在汽车电子、医疗器械、航空航天等领域的应用越来越广泛，宽禁带半导体材料与器件的研究和发展也进入了加速阶段。氧化镓（Ga₂O₃）作为新一代超宽禁带半导体的典型代表，具有较高的击穿场强和较低的衬底制造成本，是下一代功率半导体器件的理想材料。然而，目前基于氧化镓的功率二极管主要关注击穿电压的提升和导通电阻的降低，对开启电压的研究有待进一步挖掘。高的开启电压将会大幅增加功率器件的开关损耗，长远来看不利于氧化镓基功率器件的实际应用。

为此，郝跃院士团队开展了氧等离子体处理对氧化镓基功率二极管的影响研究，通过设计三种器件（N₂O等离子体处理、O₂等离子体处理和无处理），对比分析含氧等离子体处理对Ga₂O₃肖特基二极管开启电压、导通电阻、击穿电压、界面特性的影响。研究发现，N₂O等离子体处理可以有效降低二极管的开启电压，且可以通过降低缺陷密度提升器件的击穿电压。

通过器件的正向特性研究发现，N₂O等离子体处理、O₂等离子体处理和无处理器件的开启电压分别为0.6V、1.1V和0.8V，导通电阻分别为3.5mΩ·cm²、4.2mΩ·cm²和4.0mΩ·cm²。N₂O等离子体处理二极管的开启电压和导通电阻均得到有效降低。通过器件的温度稳定性研究发现，器件开启电压随温度升高有减小的趋势；N₂O处理的器件在473K时泄漏电流显著增加；O₂处理的器件开启电压随温度变化更明显。

通过X射线光电子能谱学分析发现，N₂O等离子体处理后氧化镓材料表面会在19.48eV处形成Ga-N键，弱GaN的形成是器件开启电压降低的原因。随后通过反向击穿特性研究，发现N₂O等离子体处理和O₂等离子体处理均能提升二极管器件的击穿电压，从中可以推测含氧等离子体处理能有效填充氧空位从而降低阳极区域的缺陷。最后对三种器件的陷阱态特性进行了分析。研究表明，N₂O等离子体处理和O₂等离子体处理的器件具有较小的缺陷状态能级和缺陷状态密度，充分说明了含氧离子处理可以优化界面特性，有助于改善Ga₂O₃肖特基二极管的性能。

图1. 等离子体处理的二极管示意图及显微照片

图2.器件的正向IV特性曲线

图3 XPS测试图和器件的反向击穿特性曲线

图4 器件的C-V特性及陷阱态信息

该成果以“Research on the β-Ga₂O₃ Schottky barrier diodes with oxygen-containing plasma treatment”为题，发表于Applied Physics Letters。该成果由何云龙副教授为论文第一作者，郑雪峰教授与马晓华教授为通讯作者。该研究工作为低开启电压的氧化镓基功率二极管的研制提供了重要基础。

审核编辑：刘清