低温热氧化与自对准刻蚀工艺结合制备了8.7A@2V/700V氧化镓功率半导体器件
2025/1/2 15:54:21 材料来源：ACT化合物半导体
来自中国科学技术大学的团队和中国电子科技集团公司第十三研究所的团队合作研究发现氧退火工艺具有降低表面粗糙度和位错密度的作用，根据实验结果，结合低温热氧化与自对准刻蚀工艺，成功制备了有源区尺寸为3×43 mm2的器件，具有8.7 A@2 V的正向电流和>700 V的高击穿电压。这项工作为β-Ga2O3功率半导体器件的商业化提供了一种可能的解决方案。
近年来，β-Ga2O3因其超宽带隙（4.8 eV）、高Baliga品质因数（3444Si）和低成本成为下一代功率器件的候选材料。而且随着近年来卤化物气相外延（HVPE）技术的商业化应用以及新器件结构的多重发展，β-Ga2O3功率器件性能得到了快速突破。在降低器件边缘电场方面，研究人员通过开发多种边缘终端结构（高阻终端、结终端拓展和台面终端等）已经取得了创新性进展，其中台面终端作为调控边缘电场的有效方式已被广泛研究，在显著提升击穿电压的同时又不会过多降低正向电流，在小面积器件中已经得到了证实。
然而，为了提高器件的功率等级以推进工程化应用，必须进行大面积尺寸的器件制备。但是大面积器件在带来大的电流密度的同时，包入更多的缺陷导致器件漏电流增大和耐压降低的问题难以平衡。因为目前大尺寸高质量的β-Ga2O3外延难以制备，表面缺陷难以控制。不过现有研究报道称，氧退火工艺有利于提高HVPE层的表面均匀性，可以有效减少氧空位和缺陷，改善外延质量。
因此针对上述问题，该研究团队通过结合氧退火和阳极自对准台面终端工艺，极大提高了β-Ga2O3二极管小面积器件的击穿电压，从845 V提升至1532 V，而刻蚀前后器件的正向电流仅有轻微下降。而且经过热氧化处理，器件的导通电阻和击穿电压等参数的均一性也得到了显著提升。对于该现象，研究人员进行了热氧化前后外延层AFM表征，结果发现热氧化后外延层不仅出现明显原子台阶，而且器件表面粗糙度也从0.435 nm降低到了0.245 nm。除此之外，通过对热氧化前后样品进行腐蚀坑密度和形貌测试还发现，热氧化处理后的样品表面腐蚀坑的密度和尺寸都有明显降低，这是器件击穿电压提升的根本原因。这种现象可能热氧化过程中氧气氛中氧基团加速表面原子的吸附或解吸，从而促进外延层表面重建有关。此外，基于上述工艺，研究人员成功制备了有源区面积为3×3 mm2的大面积β-Ga2O3 SBD器件，实现了8.7 A@2 V和Vbr > 700 V的卓越性能。
△ 图1：（a）热氧化和阳极自对准工艺结合制备的器件结构图；（b）大面积器件的正向导通特性及（c）反向特性（Area=3×3 mm2）；（d）基于此工艺制备的大电流器件与当前同类器件的对比。
该工作的亮点是提出了将热氧化处理与Mesa终端结合的方案，同时兼顾大面积器件的电流密度和击穿电压，与已报道的复杂终端结构的器件相比，该方案具有明显的优势，使其成为商业化β-Ga2O3功率器件生产的解决方案之一。
该团队研究人员徐光伟表示，未来将进一步探究热氧化对于外延层表面缺陷的修复机理，为大尺寸、高质量、低缺陷的β-Ga2O3外延制备提供帮助，助力氧化镓功率器件商业化应用和量产。
参考文献
F. Wu et al., "8.7 A/700 V β-Ga2O3 Schottky barrier diode demonstrated by oxygen annealing combined with self-aligned mesa termination," Applied Physics Express, 2024. DOI: 10.35848/1882-0786/ad2d73
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