由西安电子科技大学郝跃院士、马晓华教授、李园副教授等人的研究团队在学术会议 The 35th International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs（ISPSD 2023）上发布了一篇名为 An Electro-Thermal Co-Designed Ga₂O₃ [100] Trench Power Diode Featuring Ferroelectric Dielectric  （一种电热协同设计的采用铁电介质 Ga₂O₃[100] 沟槽功率二极管）的文章。

一、 背景

虽然氧化镓凭借超宽禁带和极高击穿场强成为下一代功率器件的核心候选材料，但其散热困难引发的器件过热已成为制约其技术成熟的主要瓶颈。尽管在沟槽（Trench）结构器件中，[100] 晶向的沟槽侧壁相比常规的 [010] 晶向拥有显著更高的热导率，但由于侧壁取向相关的刻蚀损伤更为严重，导致 [100] 沟槽侧壁氧化镓器件因界面质量恶化极少被采用。为了打破这一由工艺限制带来的电、热性能制约，研究团队提出利用铁电介质材料钛酸铅锆（PZT）来优化沟槽侧壁界面质量的全新策略，旨在首次实现兼具优异电学导通与超强散热能力的电热协同设计氧化镓 [100] 沟槽二极管。

二、 主要内容

氧化镓（Ga₂O₃）技术走向成熟的一个主要障碍是器件过热。对于 Ga₂O₃ 沟槽器件而言，尽管 [100] 沟槽侧壁的热导率（k_T[010]）高于 [010] 沟槽侧壁，但由于侧壁取向依赖的蚀刻损伤导致侧壁界面质量最差，很少采用具有 [100] 沟槽的 Ga₂O₃ 沟槽器件。本研究首次提出基于铁电介质优化沟槽侧壁界面质量的电热协同设计的 Ga₂O₃[100] 沟槽二极管，与 Ga₂O₃[010] 沟槽二极管相比，表现出更优的热电性能。在相同的功耗下，Ga₂O₃[100] 沟槽二极管的中心结温最低，比 Ga₂O₃[010] 沟槽二极管低 9 °C。这种新的界面质量优化策略为 Ga₂O₃ 沟槽器件的电热优化提供了巨大的潜力。

三、 创新点

·研究首次引入了铁电高介电常数（High-k）PZT 材料作为沟槽二极管的介质层。这一创新的界面优化策略成功修复了氧化镓侧壁因各向异性刻蚀所导致的严重电荷捕获与界面损伤，攻克了高侧壁热导率 [100] 沟槽难以应用的物理障碍。 实现了真正的电热协同优化。

·热反射热成像（TTI）测试表明，在相同的正向功耗下，基于电热协同设计的 [100] 沟槽 PZT 二极管展现出了最低的中心结温，其结温比传统的 [010] 沟槽二极管整整降低了 9 °C，大幅缓解了氧化镓功率器件体材料热聚集和热耗散的难题。

·得益于 PZT 对侧壁界面质量的优化（OSIQ），新型 [100] 沟槽器件在脉冲和直流测试下均展现出比 [010] 器件更高的正向电流密度。其正扫和回扫正向 IV 脉冲曲线几乎完全重叠，表明沟槽表面由刻蚀引起的界面俘获被铁电层内建电场有效缓解。

·该工作在全垂直 HVPE 氧化镓外延片上成功落地了热电协同设计策略的 [100] 沟槽工艺，为未来大功率、高频氧化镓 MIS 沟槽型功率器件的器件级热管理和产业化开辟了一条低成本可行性极高的全物理层设计路线。

四、 结论

本篇文章所提出的电热协同设计的 Ga₂O₃ [100] TD（具有铁电介质特性）首次展现出比 [010] TD 更优异的性能，这为 Ga₂O₃ 沟槽器件的设计优化提供了巨大潜力。

五、 项目支持

本工作由国家自然科学基金（项目编号：62204187）资助。

图1. 沟槽二极管的横截面示意图。

图2. 沿 [010] 方向（0° 旋转）有沟槽的 TDs 图像和沿 [100] 方向（90° 旋转）有沟槽的 TDs 图像。

图3. Ga₂O₃ 沟槽二极管的制造工艺流程。

图4. 1微米沟槽深度（d_tr）的扫描电子显微镜图像。

图5. (a) PZT TD2&3 的反向偏置 I - V 特性。(b) 分别在脉冲测量下，PZT TD2 在 0°旋转和 90° 旋转时的正向 I – V 特性。(c) 分别在脉冲测量下，PZT TD3 在 0° 旋转和 90° 旋转时的正向 I – V 特性。

图6. (a) 分别在脉冲上升和脉冲下降测量下，0° 旋转和 90° 旋转的 HfO₂ TD1的正向 I – V 特性。(b) 在直流测量下，0° 旋转和 90° 旋转的 HfO₂ TD1 的正向 I – V 特性。