西电郝跃院士、张进成教授团队：用于可集成温度传感应用的β-Ga₂O₃肖特基 ...

由西安电子科技大学郝跃院士、张进成教授的研究团队在学术期刊IEEE Transactions on Electron Devices发布了一篇名为Characterization of β-Ga₂O₃ SBDs for Integrable Temperature Sensing Applications（用于可集成温度传感应用的β-Ga₂O₃肖特基二极管的表征与性能分析）的文章。

背景

β-Ga₂O₃ 作为超宽禁带半导体，具备大禁带宽度、高临界电场、可控制备 n 型掺杂与低成本制备等优势，是下一代功率半导体的理想材料。但该材料热导率极低（0.1–0.3 W/(cm・K)，约为硅的 1/5），器件自热效应显著，对环境温度变化更敏感。

随着功率器件向集成化、模块化发展，散热问题愈发关键，因此研发可集成的温度传感器，对监测 β-Ga₂O₃ 器件、电路与模块热状态极为必要。二极管常被用作温度传感器，工作在亚阈值区可降低功耗与自热影响；而 β-Ga₂O₃ SBD 具有阈值电压低、结构简单、工艺兼容、功耗低等特点，适合做温度传感器，但专门面向温度传感应用的 β-Ga₂O₃ SBD 研究几乎空白。

主要内容

本文制备了可集成的 Ni/β-Ga₂O₃ 与 Pt/β-Ga₂O₃ 肖特基二极管（SBD）温度传感器，通过变温 I–V 测试从温度传感器角度分析器件性能。结果表明，两种 SBD 在298–573 K范围内均表现出优异的温度传感性能；在 10⁻⁸ A 电流下，最高灵敏度分别达2.41 mV/K 与 2.21 mV/K，线性度 R2 均超 0.99。

研究基于测试结果分析了肖特基势垒不均匀性，发现 Ni、Pt SBD 的势垒均呈双高斯分布趋势：Ni SBD 在约 348 K 出现转变，Pt SBD 在约 398 K 出现转变；划分温度区间后提取的有效理查森常数与理论值高度吻合。该工作为 β-Ga₂O₃ 器件与温度传感器集成提供了参考，助力未来集成式 β-Ga₂O₃ 温度监测器件开发。

创新点

1. 首次系统验证 β-Ga₂O₃ SBD 用于可集成高温传感：在 298–573 K 宽温域内实现高灵敏、高线性测温，无需特殊结构 / 工艺。

2. 揭示势垒不均匀性规律：首次明确 Ni/Pt 与 β Ga₂O₃ 接触的双高斯势垒分布及温度转变区间，修正了传统热电子发射模型误差。

3. 精准提取有效理查森常数：分区拟合后数值与理论值高度匹配，为 β-Ga₂O₃ 器件参数标定提供可靠方法。

4. 适配功率器件集成：结构简单、工艺兼容，可与 β-Ga₂O₃ 功率开关单片集成，解决其低热导率带来的热监测难题。

结论

本文制备并表征了 Ni、Pt 垂直结构 β-Ga₂O₃ SBD，经变温 I–V 测试分析肖特基势垒参数，证实势垒不均匀性呈双高斯分布，通过温度分区精准修正了理查森常数。从温度传感角度，两种器件在 298–573 K、10⁻⁸ A 条件下均具备高灵敏度与高线性度（Ni：2.41 mV/K，R2=0.99955；Pt：2.21 mV/K，R2=0.99946）。Ni SBD 灵敏度更高、势垒均匀性更好；Pt SBD 高温下势垒变化更小，高温稳定性更优。

结果证明 β-Ga₂O₃ SBD 具备温度传感器应用潜力，尤其适合未来与 β-Ga₂O₃ 功率开关集成以实现高分辨率温度监测。同时 β-Ga₂O₃ 低热导率需在布局设计中关注传感器位置，避免测温误差，相关应用仍需进一步研究。

项目支持

本项目得到国家青年科学家基金中国(青年科学家基金)62204194和62404116两项资助，以及中国国家重点研究发展计划2021YFB3600900资助。