Шоткиевские диоды на β-Ga₂O₃ с сверхширокой запрещенной зоной: фундаментальные свойства, дизайн устройств и перспективы в силовой электронике

Аннотация

Оксид галлия (β-Ga₂O₃) предлагает сверхширокую запрещенную зону (~4,8 эВ), высокое пробое поле (~8 МВ/см) и превосходную фигуру мерита Балиги, позиционируя его как ведущего кандидата для устройств следующего поколения высокой мощности, таких как Шоткиевские барьерные диоды (SBD). Этот обзор синтезирует фундаментальные физические свойства β-Ga₂O₃, оценивает недавний прогресс в SBD на базе Ga₂O₃ и сравнивает стратегии повышения пробного напряжения и снижения активного сопротивления. Наконец, он описывает перспективы SBD на Ga₂O₃ в силовой электронике.

Введение

Спрос на высокопроизводительные силовые полупроводники растет в электроэнергетике, промышленном управлении, автомобилестроении и потребительской электронике. Материалы со сверхширокой запрещенной зоной удовлетворяют эту потребность, обеспечивая работу при высоком напряжении и высокой температуре. β-Ga₂O₃ выделяется своей 4,8-эВ запрещенной зоной, критическим полем ~8 МВ/см и низкой подвижностью электронов (~200 см²/В·с), которые вместе дают фигуру мерита Балиги, превосходящую Si, SiC и GaN. В отличие от SiC и GaN, подложки β-Ga₂O₃ можно растить экономически методом плавающей зоны (FZ) или граничного определения пленки (EFG) при атмосферном давлении, позволяя получать крупномерные высококачественные монокристаллы. Эти атрибуты делают β-Ga₂O₃ привлекательной платформой для униполярных устройств, таких как SBD и MOSFET.

Физические свойства β-Ga₂O₃

β-Ga₂O₃ — термически стабильная моноклиновая фаза среди пяти известных полиморфов Ga₂O₃. Ее решетчные константы (a = 1,22 нм, b = 0,30 нм, c = 0,58 нм) и сверхширокая запрещенная зона (4,7–4,9 эВ) придают критическое поле почти в два раза выше, чем у SiC и GaN. Проводимость материала возникает от донорских уровней, индуцированных кислородными вакансиями, которые дают свободные электроны и позволяют n-легирование донорами Si или Sn (10¹⁵–10¹⁹ см⁻³). Полученное удельное сопротивление охватывает 10⁻³–10¹² Ом·см, тогда как запрещенная зона может настраиваться легирующими примесями. Ключевые проблемы остаются: (1) p-легирование неэффективно из-за глубоких акцепторных уровней; (2) термическая проводимость низка (0,1–0,3 Вт/см·К), ограничивая работу при высокой мощности; (3) подвижность электронов умеренна, ограничивая высокочастотную производительность. Тем не менее, сверхширокая запрещенная зона обеспечивает отличные УФ-сенсорные возможности в диапазоне 250–280 нм.

Основная концепция Шоткиевских барьерных диодов

В SBD высота Шоткиевского барьера (Φ_B) зависит от рабочей функции металла и электронного сродства полупроводника, но интерфейсные состояния могут нарушать эту связь. Для β-Ga₂O₃ Ni и Pt — обычные Шоткиевские металлы, тогда как Ti и In служат низкоомными омическими контактами после высокотемпературного отжига. Оптимизация легирования (10¹⁶–10¹⁷ см⁻³) обеспечивает ширину истощенной зоны, подавляющую туннелирование. Методы терминации краев — полевые пластины (FP) и траншейные структуры — перераспределяют электрическое поле, повышая пробое напряжение (V_br) и снижая утечку. Поверхностная пассивация и высококачественные подложки дополнительно повышают стабильность V_br.

Развитие Шоткиевских барьерных диодов на β-Ga₂O₃

Ранние устройства на (010) β-Ga₂O₃ монокристаллах достигли V_br ≈ 150 В, с Φ_B ≈ 1,3–1,5 эВ. Последующая работа на (100)-ориентированных подложках (EFG-выращенных) продемонстрировала V_br > 200 В и активное сопротивление (R_on) всего 2,9 мОм·см², с прямыми токами плотностью выше 400 А/см². Al-легированные β-Ga₂O₃ пленки, выращенные импульсным лазерным осаждением (PLD), дали SBD с R_on = 2,1 мОм·см² и отношениями тока вкл/выкл 10¹¹. Галогенная фазная эпитаксия (HVPE) произвела 7 мкм толстые n⁻ слои на n⁺ подложках, сохраняя почти постоянный Φ_B от 21 °C до 200 °C и позволяя высокотемпературную работу.

Продвинутая инженерия терминации краев — полевые пластины и траншей — толкает V_br в киловольтный диапазон, сохраняя R_on ниже 5 мОм·см². Например, Pt-капсулированное HVPE-n⁻/(001) n⁺ устройство достигло V_br = 1076 В, R_on = 5,1 мОм·см². Траншейно-терминированное устройство дало V_br > 400 В и R_on = 2,4 мОм·см², превосходя коммерческие 600 В SiC SBD по коммутационным потерям.

Несмотря на отсутствие надежного p-легирования, гетероструктурные p-Cu₂O/n-Ga₂O₃ диоды показали V_br до 1,49 кВ и R_on = 8,2 мОм·см², указывая на жизнеспособный путь для биполярных устройств. Однако более высокое пороговое напряжение и эффект накопления мажоритарных носителей остаются проблемой.

Практические применения демонстрируют, что β-Ga₂O₃ SBD могут выпрямлять переменный ток до 100 кГц — сравнимо с SiC — делая их подходящими для силовых преобразователей и приводов двигателей.

Заключение

Шоткиевские барьерные диоды на β-Ga₂O₃ находятся в стадии быстрого развития. Непрерывные достижения в качестве подложек, эпитаксиальном росте и инженерии устройств продолжают снижать R_on и повышать V_br. Хотя проблемы, такие как низкая термическая проводимость и отсутствие p-легирования, сохраняются, сверхширокая запрещенная зона и высокое критическое поле материала обещают превосходную производительность в высоковольтной, высокотемпературной силовой электронике.

Аббревиатуры

• AC – Переменный ток
• BFOM – Фигура мерита Балиги
• CVD – Химическое осаждение из паровой фазы
• EFG – Граничное определение пленки
• FFT – Быстрое преобразование Фурье
• FP – Полевые пластины
• FZ – Плавающая зона
• HRTEM – Высокоразрешающая трансляционная электронная микроскопия
• HVPE – Галогенная фазовая эпитаксия
• IMECAS – Институт микроэлектроники Китайской академии наук
• MOCVD – Металлоорганическое химическое осаждение из паровой фазы
• MOSFET – Полевой транзистор с металл-оксид-полупроводник
• NICT – Национальный институт информации и коммуникационных технологий
• PLD – Импульсное лазерное осаждение
• SBD – Шоткиевский барьерный диод
• TE – Термионное излучение
• TFE – Термионно-полевое излучение
• WBG – Широкозапрещенная зона
• XRD – Рентгеновская дифракция