九峰山实验室联合华中科技大学：安培法Ga₂O₃两步沟槽肖特基势垒二极管的 ...

由JFS实验室联合华中科技大学的研究团队在学术会议2025 22nd China International Forum on Solid State Lighting & 2025 11th International Forum on Wide Bandgap Semiconductors (SSLCHINA: IFWS)发布了一篇名为The Demonstration of Amperometric Ga2O3 Two-step Trench Schottky Barrier Diode（安培法Ga2O3两步沟槽肖特基势垒二极管的演示）的文章。

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背景

氧化镓（Ga2O3）作为一种新兴的超宽禁带半导体材料，凭借其超宽禁带（4.8 eV）、极高的理论击穿电场（8 MV/cm）以及可通过熔融液相法生长大尺寸单晶的优势，在高压功率器件领域展现出巨大应用潜力。肖特基势垒二极管（SBD）因其金属–半导体结结构，在开关电源、整流电路和高频通信设备中占据关键地位。然而，传统 SBD 的最大电场集中于金属–半导体界面，界面处的镜像力效应会降低肖特基势垒高度，从而在高电场下引发反向漏电流增大和提前击穿，严重制约器件性能。针对上述问题，已有研究尝试通过提高肖特基势垒高度、引入高介电常数介质或采用结势垒调控结构及三维沟槽结构等方式进行优化。对于 Ga2O3 而言，由于缺乏有效的 p 型掺杂手段，沟槽结构成为一种可行的降低表面电场（RESURF）技术，其通过将峰值电场从金属–半导体界面推向漂移区深处，可显著提升器件的击穿电压并改善漏电特性。然而，传统单级沟槽 SBD 在沟槽拐角处仍存在严重的电场集中问题，易导致局部击穿，从而限制 Ga2O3 在高压器件中的潜在优势。为缓解这一瓶颈，多级沟槽结构被提出作为一种有效的电场调控方案。相较于单级沟槽，多级沟槽可通过几何结构调制将峰值电场分散到多个子区域，从而降低最大电场强度并提升器件的耐压能力。尽管该结构已在 Si 和 SiC 器件中得到研究，但在 Ga2O3 SBD 中尚未得到应用。因此，有必要探索多级沟槽结构在 Ga2O3 肖特基二极管中的可行性与性能优势。

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主要内容

超宽禁带半导体材料氧化镓（Ga2O3）因其优异的材料特性，在功率器件应用中展现出巨大潜力。然而，Ga2O3 固有缺乏 p 型掺杂能力，这使得其在肖特基势垒二极管（SBD）中的应用面临挑战：未受保护的金属/半导体界面会由于肖特基势垒降低效应而产生严重的反向漏电流。为解决这一问题，沟槽结构被广泛采用以缓解表面电场拥挤效应。本文提出了一种新型 Ga2O3 沟槽型 SBD，采用双阶沟槽结构，通过将单阶沟槽拐角处的峰值电场重新分配至相邻区域，实现了电场分布的优化。同时，系统研究了终端区沟槽相对位置及场板结构对器件性能的影响。结果表明，当金属场板完全覆盖沟槽时，Ga2O3 沟槽能够分担部分电场强度，从而有效缓解场板边缘的电场集中并提升器件击穿电压。所制备的双阶沟槽 Ga2O3 SBD 实现了约 1164 V 的反向击穿电压，并在 6 V 正向偏压下获得了安培级的正向电流。

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项目支持

• 提出双阶沟槽 Ga2O3 SBD 结构，首次将多阶沟槽设计引入 Ga2O3 肖特基二极管。

• 通过几何调控重分布电场峰值，有效缓解单阶沟槽拐角处的电场集中问题。

• 系统研究沟槽与场板相对位置影响，明确场板完全覆盖沟槽有利于提升击穿性能。

• 实现高击穿电压与大电流兼顾，器件同时获得约 1164 V 击穿电压和安培级正向电流。

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总结

本研究展示了一种自对准双阶沟槽 Ga2O3 肖特基势垒二极管（SBD），其击穿电压达到 1164 V。该双阶沟槽结构通过单次光刻结合介质辅助刻蚀工艺制备，可将电场峰值重新分布至沟槽区域，从而有效缓解终端边缘处的电场拥挤问题。相比沟槽内终端结构，场板延伸覆盖沟槽的器件表现出更优异的击穿性能，凸显了场板优化在超宽禁带功率器件中的关键作用。本研究为实现可规模化的高压 Ga2O3 沟槽型 SBD 提供了一种有效途径。

图 1 (a) β-Ga2O3 肖特基势垒二极管（SBD）样品 A； (b) β-Ga2O3 肖特基势垒二极管（SBD）样品 B。

图 2 双阶沟槽制备工艺的详细步骤示意图。

图 3 样品 A 与样品 B 的有源区面积相同，仅终端结构不同。

图 4 (a) 制备完成的 Ga2O3 肖特基势垒二极管的光学显微（OM）图； (b) 双阶沟槽结构的截面 SEM 图像。

图 5 (a) 沟槽型 Ga2O3 肖特基势垒二极管的正向 J–V 特性； (b) 沟槽型 Ga2O3 肖特基势垒二极管的反向 J–V 特性。

图 6 与样品 A（a）和样品 B（b）具有相同终端结构的仿真器件模型的电场分布云图。

DOI：

doi.org/10.1109/SSLCHINAIFWS69008.2025.11315004

文章源自2025 22nd China International Forum on Solid State Lighting & 2025 11th International Forum on Wide Bandgap Semiconductors (SSLCHINA: IFWS)，联盟编译整理。

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文章来源：亚洲氧化镓联盟

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