西电&中科院苏州纳米所：具有超低漏电流与超过10¹³整流比的1.5-kV垂直AgOₓ/β-Ga₂O₃ SBD

由西安电子科技大学韩根全教授、王轶博副教授联合中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所的研究人员在学术期刊 Journal of Physics D: Applied Physics 发布了一篇名为 1.5-kV Blocking Vertical AgO_x/β-Ga₂O₃ Schottky Barrier Diodes with Ultralow Leakage Current and Over 10¹³ Rectification Ratio（具有超低漏电流与超过10¹³整流比的1.5-kV垂直AgO_x/β-Ga₂O₃肖特基势垒二极管）的文章。

一、 项目支持

研究得到中国国家自然科学基金（项目编号：62293522、62204255 和 62234007）以及陕西省科学技术厅重点支持项目（2024CY2-GJHX-81）的资助。

二、 背景

β相氧化镓（β-Ga₂O₃）因其超宽带隙、高临界击穿场强、可控的掺杂工艺以及可获得的大尺寸晶圆，在高功率电子器件领域受到广泛关注。在β-Ga₂O₃的各种器件结构中，垂直肖特基势垒二极管（SBD）非常适用于高压大电流应用。在过去十多年里，通过场板、自对准台面刻蚀、离子注入边缘终端及结势垒终端等多种边缘终端设计，β-Ga₂O₃ SBD的性能不断接近材料极限。截至目前，已有多例β-Ga₂O₃ SBD的击穿电压（V_br）超过2 kV的报道。要实现高耐压β-Ga₂O₃ SBD，具有高肖特基势垒高度（SBH）的肖特基接触至关重要。以往研究主要集中在贵金属氧化物、表面处理及插入超薄介电层等方法。贵金属氧化物如PtO_x、IrO_x、RuO₂等因其高功函数从而使SBH显著提升。其中，氧化银（AgO_x）尤其具有吸引力。一方面银材料成本较低，另一方面有研究显示AgO_x可与β-Ga₂O₃形成最高的SBH，且其制备方法相对简单（如热氧化、脉冲激光沉积和射频磁控溅射）。AgO_x存在多种相态，其中Ag₂O热力学稳定性最高，其分解温度约为300 ℃。然而，将AgO_x用作β-Ga₂O₃ SBD的高势垒阳极的研究仍然较少。

三、 主要内容

本工作报道了高性能垂直AgO_x/β-Ga₂O₃肖特基势垒二极管。通过室温射频磁控溅射沉积的AgO_x薄膜，使用X射线光电子能谱（XPS）和X射线衍射（XRD）确认Ag₂O为主要相。测得内建电压V_bi = 2.3 V，对应AgO_x/β-Ga₂O₃界面的SBH为2.41 eV。该垂直SBD展现出极低的反向漏电流（< 10^-11 A/cm²）、超过10¹³的超高整流比，以及5 mΩ·cm²的特征导通电阻（R_ON,sp）。器件实现了1.5 kV的高反向击穿电压，对应的功率优值（PFOM）为0.46 GW/cm²。以上研究结果表明，AgO_x作为高势垒阳极材料为开发高性能β-Ga₂O₃功率二极管提供了一条有前景的途径。

四、 结论

总之，本研究成功在β-Ga₂O₃上通过室温射频磁控溅射沉积了AgO_x薄膜作为阳极电极，并通过XPS和XRD验证了其高结晶质量。得益于AgO_x薄膜的高结晶性及AgO_x/β-Ga₂O₃界面处的高肖特基势垒高度，制备AgO_x/β-Ga₂O₃ SBD器件表现出优异性能，包括漏电流低于10^-11 A/cm²、击穿电压超过1.5 kV。同时，器件具有高导通电流（超过10² A/cm²）和低特征导通电阻（R_ON,sp = 5 mΩ·cm²），实现了超过10¹³的开关电流比（I_ON/I_OFF）及0.46 GW/cm²的功率优值（PFOM）。与同样未采用边缘终端的已报道器件相比，该器件在维持合理击穿电压的同时，实现了最高的开关电流比和最低的漏电流。这些结果表明AgO_x作为下一代β-Ga₂O₃功率整流器高势垒接触材料的广阔应用前景。