Cell子刊│哈工大（深圳）孙华锐团队：通过多模热成像校准了电压和温度依赖的肖特基势 ...

近日，哈尔滨工业大学（深圳）孙华锐教授团队在氧化镓二极管肖特基势垒研究中取得新进展，揭示了电压和温度依赖的肖特基势垒高度及其非均匀性的的动态调控规律，显著提升了电流预测精度，为高功率电子器件的热管理与可靠性设计提供了物理依据和新研究范式。该成果以《垂直型氧化镓肖特基二极管中多模热成像校准势垒》（Multi-modal Thermography-Calibrated Barrier in Vertical β-Ga2O3 Schottky Barrier Diodes）为题发表在Cell子刊《细胞报告物理科学》（Cell Reports Physical Science）上。哈尔滨工业大学（深圳）（论文第一署名单位）谢银飞博士为论文的第一作者，孙华锐教授为论文的通讯作者。

β-Ga2O3作为超宽禁带半导体材料，因其超高击穿电场（>8 MV/cm）和低成本单晶生长潜力，被视为未来高能效电力电子、5G射频及极端环境电子系统的“明星材料”。然而，其肖特基接触界面普遍存在势垒高度不均一的问题——由缺陷、界面粗糙度或成分波动引起——导致局部电流拥挤、热点集中，严重制约器件寿命与性能稳定性。传统表征手段如静态I-V测量或多依赖单一热成像技术，难以同步捕捉电压-温度耦合作用下的电热响应，更无法解析微纳尺度上温度梯度与势垒分布的关联。针对这一重要问题，哈尔滨工业大学（深圳）孙华锐教授团队联合中国电子科技集团公司第十三研究所、江南大学等单位，创新性地融合高分辨率三维拉曼热成像、红外热成像、热反射成像、变温电学测试（J-V-T/C-V-T）与物理建模，构建了一个闭环校准的“电-热-势垒”协同分析框架。

研究发现：温度升高不仅提升平均势垒高度，还加剧势垒非均匀性；而施加偏压则具有“均化”效应，可有效抑制势垒涨落。这一反直觉现象揭示了热反馈对载流子输运路径的动态调控机制，阐明了 β-Ga2O3器件在高功率工作时电流-电压特性非单调变化的根源。更重要的是，团队基于实验数据校准的物理模型，成功嵌入TCAD仿真平台，实现了对器件J-V特性优于传统模型的高精度预测（误差仅1.2%），标志着从“黑箱经验拟合”迈向“白箱机理驱动”的跨越。该工作不仅解开了 β-Ga2O3肖特基界面‘势垒迷雾’，更建立了一套通用的电热协同设计方法论，可推广至其他宽禁带半导体器件，加速其从实验室走向产业化。

研究亮点

1、方法创新：创新性地融合多模态热成像校准技术，实现了对肖特基势垒高度非均匀性在电压-温度耦合作用下的动态解析。

2、机理突破：揭示了“温度升高加剧势垒不均、偏压增强均化效应”的动态规律，解决了传统模型预测精度低的难题。

3、应用价值：基于实验数据校准的物理模型将电流预测误差降至仅1.2%，为高功率电子器件的热管理和可靠性设计提供了新范式。

图文导读

图形摘要

图 1 多模式热成像标定势垒分析框架。

图 2 反向偏压 C-V 特性。(A) 制备的垂直 β-Ga2O3 SBD 在 25 °C–150 °C 温度范围内的 1/C2-V 特性曲线。(B) 从 C-V-T 特性中提取的内建电势 (qVbi)、肖特基势垒高度 (qΦB,CV)) 和净施主浓度 (ND) 随温度 T 的变化。

图 3 正向偏压 J-V 特性。(A) 25 °C–150 °C 下的半对数图，插图显示线性图。(B) 等效电路。

图 4 从正向偏压 J-V 特性提取的势垒参数。(A) 从正向 J-V-T 特性中提取的肖特基势垒高度 (qΦB)、内建电势 (qVbi) 和理想因子 (n) 随温度 T 的变化。(B) β-Ga2O3 SBD 的 qΦB对 q/2kB 的图。(C) ln(Js/T2) – q2σ02/(2kB2T2)对 1,000/T 的 Richardson 图。

图 5 反向偏压 J-V 特性。(A) 制备的垂直 β-Ga2O3 SBD 的温度依赖反向 J-V 特性；红色虚线为热电子场发射 (TFE) 模型拟合。(B) TFE、变域跳跃 (VRH) 与陷阱辅助空间电荷限制导电 (SCLC) 机制示意图。实线蓝色表示 TFE 与 VRH 串联，虚线蓝色表示 25 °C–150 °C 下的 TFE 至导带。

图 6 电压与温度依赖的势垒参数。(A) β-Ga2O3 SBD 在不同温度下测得的零偏置表观势垒高度 (ΦB,0) 与理想因子 (n) 的关系。(B) (1/nap−1) (蓝色三角) 与Φap (红色方块) 对 1,000/T 曲线。(C) (ΦB,CV − Φap)对 1,000/T 图。

图 7 不同条件下的肖特基势垒分布。(A) T = T1, V = 0, ⟨ΦB⟩ = ⟨ΦB1⟩, σ = σ1。(B) T = T2 = T1, V > 0, ⟨ΦB⟩ = ⟨ΦB2⟩ < ⟨ΦB1⟩, σ = σ2 < σ1。(C) T = T3 > T1, V = 0, ⟨ΦB⟩ = ⟨ΦB3⟩ > ⟨ΦB1⟩, σ = σ3 > σ1。T 为温度，V 为正向偏压，⟨ΦB⟩ 与 σ 分别为势垒高度均值与标准差。(D) 热平衡下 MS 肖特基界面能带图。

图 8 不同深度平面的 3D 拉曼热成像映射。(A) 垂直β-Ga2O3 SBD 的 400 × 400 μm2 区域。(B) 加热台固定温度 50 °C 时 1 A。(C) 加热台固定温度 50 °C 时 1.5 A。(D) 加热台固定温度 50 °C 时 2 A。

图 9 不同正向电流下的多模式热成像。在固定加热台温度 50 °C 下的温度分析对比，包括芯片平均温度 (ˉTchip)、金属电极温度 (Tmetal)、β-Ga2O3 外表面温度 (TGa2O3, surface) 及器件峰值温度 (Tpeak)，由不同热成像技术测得。

图 10 原始与修正模型的势垒参数对比。(A) 50 °C 基准温度下正向电流从 1 A 变化到 2 A。(B) 固定 2 A 正向电流，基准温度从 25 °C 变化到 150 °C。(C) 未进行温度修正的非均匀肖特基势垒 3D 分布。(D) 根据实测温度修正后的非均匀肖特基势垒 3D 分布。

图 11 温度补偿前后正向偏压电流密度预测。在 50 °C 基准温度下，不同正向偏压条件下实验测得的电流密度与基于原始与修正Φap 计算值对比。误差棒表示由势垒不均匀性引起的电流预测不确定性。

图 12 垂直β-Ga2O3 SBD 的制备。(A) 器件制备主要步骤示意图。(B) 横截面结构示意图。(C) 整体封装器件光学图像。

团队介绍

孙华锐，哈尔滨工业大学（深圳）教授、博导，理学院副院长。从事半导体材料和器件测试领域的研究工作，近年来发展了宽禁带半导体材料和器件热特性的表征分析方法，揭示了热阻的来源和构成机制，提出了器件电热协同设计的策略，阐明了二维半导体拉曼光谱各向异性的物理起源和调制机理。在《Physical Review Letters》、《Laser & Photonics Reviews》、《Nature》系列期刊等发表论文70余篇，申请/授权发明专利十余件，获广东科技创新青年拔尖人才等奖励，任《人工晶体学报》青年编委、广东省分析测试协会表面分析专业委员会常务委员等。

谢银飞，哈尔滨工业大学（深圳）物理学博士，从事超宽禁带半导体器件热可靠性和电热偶合协同优化研究，在《Cell Reports Physical Science》、《Nano Letters》、《Nano Research》、《ACS Applied Materials & Interfaces》、《Applied Physics Letters》、《IEEE Transactions on Electron Devices》、《IEEE EDTM》等国际权威期刊或会议上已发表SCI论文10余篇，申请/授权国家专利十件，获首届中国科协青年人才托举博士生、博士研究生国家奖学金、黑龙江省科协优秀科技人才、黑龙江省普通高等学校三好学生等荣誉奖项。

文章信息

Yinfei Xie, Aihua Wu, Yuwei Zhai, Yang He, Yan Liu, Hao Li, Weiye Liu, Dawei Yan, and Huarui Sun. Multi-modal Thermography-Calibrated Barrier in Vertical β-Ga2O3 Schottky Barrier Diodes. Cell Reports Physical Science, 2025, 6(12): 103016.

DOI: https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2025.103016

文章来源：哈尔滨工业大学（深圳）孙华锐稿课题组投稿

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