氧化鎵功率器件研究成果

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研究?jī)?nèi)容

隨著電力電子技術(shù)在汽車電子、醫(yī)療器械、航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，寬禁帶半導(dǎo)體材料與器件的研究和發(fā)展也進(jìn)入了加速階段。氧化鎵（Ga?O?）作為新一代超寬禁帶半導(dǎo)體的典型代表，具有較高的擊穿場(chǎng)強(qiáng)和較低的襯底制造成本，是下一代功率半導(dǎo)體器件的理想材料。然而，目前基于氧化鎵的功率二極管主要關(guān)注擊穿電壓的提升和導(dǎo)通電阻的降低，對(duì)開(kāi)啟電壓的研究有待進(jìn)一步挖掘。高的開(kāi)啟電壓將會(huì)大幅增加功率器件的開(kāi)關(guān)損耗，長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看不利于氧化鎵基功率器件的實(shí)際應(yīng)用。

為此，郝躍院士團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了氧等離子體處理對(duì)氧化鎵基功率二極管的影響研究，通過(guò)設(shè)計(jì)三種器件（N?O等離子體處理、O?等離子體處理和無(wú)處理），對(duì)比分析含氧等離子體處理對(duì)Ga?O?肖特基二極管開(kāi)啟電壓、導(dǎo)通電阻、擊穿電壓、界面特性的影響。研究發(fā)現(xiàn)，N?O等離子體處理可以有效降低二極管的開(kāi)啟電壓，且可以通過(guò)降低缺陷密度提升器件的擊穿電壓。

通過(guò)器件的正向特性研究發(fā)現(xiàn)，N?O等離子體處理、O?等離子體處理和無(wú)處理器件的開(kāi)啟電壓分別為0.6V、1.1V和0.8V，導(dǎo)通電阻分別為3.5mΩ·cm2、4.2mΩ·cm2和4.0mΩ·cm2。N?O等離子體處理二極管的開(kāi)啟電壓和導(dǎo)通電阻均得到有效降低。通過(guò)器件的溫度穩(wěn)定性研究發(fā)現(xiàn)，器件開(kāi)啟電壓隨溫度升高有減小的趨勢(shì)；N?O處理的器件在473K時(shí)泄漏電流顯著增加；O?處理的器件開(kāi)啟電壓隨溫度變化更明顯。

通過(guò)X射線光電子能譜學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，N?O等離子體處理后氧化鎵材料表面會(huì)在19.48eV處形成Ga-N鍵，弱GaN的形成是器件開(kāi)啟電壓降低的原因。隨后通過(guò)反向擊穿特性研究，發(fā)現(xiàn)N?O等離子體處理和O?等離子體處理均能提升二極管器件的擊穿電壓，從中可以推測(cè)含氧等離子體處理能有效填充氧空位從而降低陽(yáng)極區(qū)域的缺陷。最后對(duì)三種器件的陷阱態(tài)特性進(jìn)行了分析。研究表明，N?O等離子體處理和O?等離子體處理的器件具有較小的缺陷狀態(tài)能級(jí)和缺陷狀態(tài)密度，充分說(shuō)明了含氧離子處理可以優(yōu)化界面特性，有助于改善Ga?O?肖特基二極管的性能。

圖1. 等離子體處理的二極管示意圖及顯微照片

圖2.器件的正向IV特性曲線

圖3 XPS測(cè)試圖和器件的反向擊穿特性曲線

圖4 器件的C-V特性及陷阱態(tài)信息

該成果以“Research on the β-Ga?O? Schottky barrier diodes with oxygen-containing plasma treatment”為題，發(fā)表于Applied Physics Letters。該成果由何云龍副教授為論文第一作者，鄭雪峰教授與馬曉華教授為通訊作者。該研究工作為低開(kāi)啟電壓的氧化鎵基功率二極管的研制提供了重要基礎(chǔ)。

審核編輯：劉清