基于日本NCT(011)外延片最新验证进展——突破3 kV耐压与极低漏电的垂直(011) β-Ga₂O₃ 二极管

日本NCT公司近期重磅推出（011）系列高品质外延片产品，其技术指标实现显著突破。该产品将外延厚度从最初20微米大幅提升至30微米，同时精准控制外延层载流子浓度在2-5×10¹⁵ cm^-3区间。尤为值得一提的是，通过创新工艺技术，该产品成功将外延缺陷密度从80 pcs/cm²降至仅5 pcs/cm²，达到业界领先水平。

NCT技术专家指出，（011）衬底制备并不困难，但实现超厚外延的高质量制备却面临极大挑战。凭借在HVPE外延领域深厚的经验积累与工艺沉淀，NCT团队成功攻克了这一技术瓶颈，但量产难度依然显著。为持续引领行业创新，NCT已启动2英寸、50微米厚度外延产品的研发攻关，致力于为客户提供更优解决方案。

由于该产品制备工艺复杂、良品率提升尚需时日，其定价略高于常规外延产品。因此，该产品主要面向具备深厚研发基础、追求器件性能突破的高端客户群体。业内专家普遍认为，这款突破性外延产品的问世，将为氧化镓功率器件性能提升注入强劲动力，助力其在高端应用领域实现更大突破。

近期基于NCT（011）外延片的器件验证结果陆续发布，以下是来自美国爱荷华州立大学的研究团队最新发布的一项研究成果，后期陆续还会有多家单位陆续发表基于此款最新外延片的研究进展。

NCT在中国市场的发展与成功离不开其在中国大陆的战略合作伙伴——天津市万德思诺国际贸易有限公司（简称万德思诺）。万德思诺作为 NCT 在中国大陆地区的指定代理商，秉承“引领尖端技术，服务行业客户”的理念，专注于超宽禁带氧化镓材料行业。公司为客户提供国际先进的氧化镓相关材料和装备，满足科研领域的高端需求，并为企业提供定制产业化方案，助力氧化镓产业化发展。

通过万德思诺的专业服务和支持，NCT 的氧化镓产品得以更加高效地触达中国大陆的客户群体，促进双方在技术研发、市场推广以及客户服务等方面的深入合作。目前，万德思诺的合作客户已涵盖各大高校、科研院所及知名公司，氧化镓行业客户覆盖率接近 100%，为 NCT 在中国市场的发展奠定了坚实的基础。

未来，NCT 公司将继续加大在氧化镓材料领域的研发投入，致力于为全球客户提供更高品质的氧化镓产品。同时，NCT 也将与万德思诺携手共进，共同探索氧化镓材料的无限可能，为全球氧化镓产业的创新发展贡献力量。

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使用了日本Novel Crystal Technology提供的（011）外延产品制作的研究成果具体内容如下：

由爱荷华州立大学的研究团队最新发布了一项研究成果，研究名为：Over 3 kV and Ultra-Low leakage Vertical (011) β-Ga₂O₃ Power Diodes with Engineered Schottky Contact and High-permittivity Dielectric Field Plate（突破 3 kV 耐压与极低漏电的垂直 (011) β-Ga₂O₃ 二极管：采用工程化肖特基和高介电常数场）。

一、 背景

β-Ga₂O₃ 因其约 4.8 eV 的超宽带隙、可控浅掺杂以及高临界击穿场强（约8 MV/cm），在紧凑型高功率半导体器件中引起广泛关注。尤其是熔体生长的 β-Ga₂O₃ 本征衬底的可获得性，为超宽带隙功率器件的大规模低成本制备提供了独特机会。尽管已有多种场管理技术（如场板、沟槽结构、保护环、深刻蚀和离子注入）在垂直 β-Ga₂O₃ 功率二极管中展示出优异性能，但多数器件仍采用 HVPE 生长的厚度约 10 μm、(001) 取向的 β-Ga₂O₃ 外延层，其背景掺杂较高，且易形成线状位错，这些“致命缺陷”会导致漏电和击穿电压下降，限制器件高压扩展。为克服这一问题，(011) 取向的 β-Ga₂O₃ 同质外延生长被提出，可减少位错对垂直电流方向漏电的影响。然而，目前 (011) β-Ga₂O₃ 肖特基二极管的基本电子特性及高压性能尚缺系统研究。为实现千伏级高压器件，边缘场管理和肖特基接触工程至关重要，可有效抑制金属/β-Ga₂O₃ 结的隧穿漏电并提升击穿电压。本研究通过在(011) β-Ga₂O₃ 垂直肖特基二极管中集成高介电常数（ZrO₂）场板并优化复合 Pt cap/PtO_x/Pt (1.5 nm) 阳极接触，成功实现了超低漏电、多千伏击穿电压以及低导通电压，展示了 (011) β-Ga₂O₃ 在高压功率器件中的应用潜力及设计策略。

二、 主要内容

本文报道了一种耐压超过 3 kV、超低漏电的 (011) β-Ga₂O₃ 功率器件，该器件结合了肖特基势垒工程与高介电常数 (κ) 介质 (ZrO₂) 场板技术。(011) 取向的 β-Ga₂O₃ 实现了低本征掺杂和厚漂移层，这对支持 kV 级垂直 β-Ga₂O₃ 功率开关非常有利。肖特基势垒工程采用复合 Pt cap/PtO_x/Pt（1.5 nm）阳极接触设计，利用 PtO_x 提升反向阻断能力，同时通过薄 Pt 接触层保持低导通电压。研究团队在同一晶片上系统研究了协同制备的 Pt/(011) β-Ga₂O₃ 肖特基二极管 (SBDs)。裸 SBD 的击穿电压约为 1.5 kV，而场板 Pt/(011) β-Ga₂O₃ SBD 通过边缘电场管理将击穿电压提高至 2.75 kV。进一步通过复合 Pt cap/PtO_x/Pt（1.5 nm）肖特基接触的隧穿漏电管理，将场板二极管的击穿电压最终提升至 3.7 kV。值得注意的是，复合 Pt cap/PtO_x/Pt（1.5 nm）接触的导通电压与 Pt/(011) β-Ga₂O₃ SBDs 相似。通过复合 Pt cap/PtO_x/Pt 接触有效控制隧穿漏电，同时保持类似导通电压，结合高 κ 介电 ZrO₂ 场板的边缘电场降低以及 (011) β-Ga₂O₃ 材料自身的优势特性，这一策略展示了在开发超低漏电、多 kV 级垂直 (011) β-Ga₂O₃ 功率器件方面的巨大潜力。

三、 结论

本文报道了一种基于 (011) 取向 β-Ga₂O₃ 的高功率垂直型肖特基二极管，其采用高介电常数（κ）氧化锆（ZrO₂）场板结构，并通过复合 Pt cap/PtO_x/Pt（1.5 nm）接触实现了工程化的肖特基势垒设计。该器件在反向偏压下表现出优异的电学性能，实现了超过 3 kV 的击穿电压以及极低的漏电流。与传统的 Pt 肖特基接触相比，复合 Pt cap/PtO_x/Pt（1.5 nm）结构在保持相似导通电压的同时，显著提升了反向阻断能力并降低了漏电，为低损耗、高电压功率器件的发展提供了新的可能。因此，本研究充分展示了 (011) β-Ga₂O₃ 的潜力，其厚漂移区具备低背景掺杂特性，再结合精心设计的器件制造策略，为高效千伏级垂直功率开关器件的发展提供了有前景的路径。

图1：(a) 和 (b) 分别为带高介电常数 ZrO₂ 场板的垂直型 (011) β-Ga₂O₃ 肖特基二极管的结构示意图，器件直径为 100 μm。(a) 为复合 Pt cap/PtO_x/Pt（总厚 1.5 nm）肖特基接触结构；(b) 为单层 Pt 肖特基接触结构。(c) 为两种二极管通过 1/C²–V 分析提取的肖特基势垒高度（SBH），插图显示对应的掺杂浓度。

图2：(a) 展示了直径为 100 μm 的肖特基二极管的正向传输特性，器件分别采用复合 Pt cap/PtO_x/Pt（1.5 nm）接触和单层 Pt 接触结构，并对比了有无 20 μm 场板结构的情况。所有样品的理想因子均接近 1，表现出优异的整流特性。(b) 展示了各类二极管的微分比导通电阻（R_on,sp）以及提取的最小比导通电阻。

图3：直径为 100 μm 的肖特基二极管（SBD）的反向 J–V 特性，比较了复合 Pt cap/PtO_x/Pt（1.5 nm）接触和单层 Pt 接触器件在有无 20 μm 场板的情况下的表现。未加场板时，两类器件的击穿电压相近，约在 1.4–1.6 kV 范围。加上场板后，复合 Pt cap/PtO_x/Pt（1.5 nm）器件的反向漏电流显著降低，击穿电压稳定提高至超过 3 kV。插图展示了带场板的复合接触器件的击穿特性，该测试使用 UCSB 的独立参数分析仪完成，可测量超过 3 kV，但噪声底较高。

图4：3 kV 条件下反向漏电流密度的基准对比图，展示了制备的垂直 (011) β-Ga₂O₃ 肖特基二极管（SBD）与文献中报道的基于 (001) 外延片的垂直 β-Ga₂O₃ SBD 的性能对比。

图5：(a) 模拟的电场等高线分布图，显示直径 100 μm 的复合 Pt cap/PtO_x/Pt (1.5 nm) 肖特基二极管在 20 μm ZrO₂ 场板下的电场分布，击穿电压为 V_br = -3692 V。(b) 沿切线 C-D（场板边缘）的电场显示，峰值电场出现在 ZrO₂/β-Ga₂O₃ 界面，为 5 MV/cm；沿平行平面切线 A-B 提取的电场为 2.53 MV/cm。

DOI:
doi.org/10.48550/arXiv.2510.25695

本文转发自《亚洲氧化镓联盟》订阅号