1.75千伏垂直结构的β-Ga2O3肖特基势垒二极管，通过一层薄ITO中间层在室温下实现欧姆接触的形成

《Applied Surface Science》：1.75-kV vertical β-Ga2O3 Schottky barrier diodes with room-temperature Ohmic contact formation by a thin ITO interlayer

　　严坦|刘宁涛|刘长|夏宁|林浩波|叶继春|张文瑞
宁波大学材料科学与化学工程学院，中国宁波315211

**摘要**
对于高性能的β-Ga2O3功率器件而言，开发具有超低接触电阻且对漂移层损伤最小的经济型欧姆接触至关重要。在本文中，我们展示了一种基于轻掺杂β-Ga2O3单晶基底的1.75 kV垂直肖特基势垒二极管（SBD），其欧姆接触是通过室温下的磁控溅射工艺实现的。采用SiO2场板结构的β-Ga2O3 SBD能够达到0.93 eV的肖特基势垒高度和1.75 kV的击穿电压，但使用直接Ti/Au双层电极时，阴极侧的接触电阻较大。在β-Ga2O3漂移层与Ti/Au电极之间加入20纳米厚的ITO中间层后，欧姆接触的形成得到了改善，其特定接触电阻率为2.6×10^-5 Ω·cm^2，理想因子为1.10。这使β-Ga2O3 SBD的特定导通电阻（Ron,sp）从1580 mΩ·cm^2显著降低到26 mΩ·cm^2，降低了近两个数量级。使用薄且掺杂度高的ITO中间层对于诱导 abrupt 带弯曲和形成窄耗尽区以实现场发射主导的隧穿至关重要，从而形成更理想的欧姆接触。这种室温欧姆接触技术有望促进β-Ga2O3功率器件的工业化应用。

**引言**
β-Ga2O3（氧化镓β）由于其4.8 eV的超宽带隙和8 MV/cm的高击穿强度，在高压和高频电力电子应用中引起了广泛的研究兴趣。β-Ga2O3的理论优值（BFOM）约为3400，远高于SiC和GaN [1],[2],[3],[4],[5]。这一优异的BFOM表明其在功率器件方面具有巨大潜力，因为它能够在较高的击穿电压（Vbr）和较低的特定导通电阻（Ron,sp）之间实现良好的平衡。此外，商业化可用的熔融生长体衬底以及成熟的n型掺杂技术，使β-Ga2O3成为高质量同质外延生长和大规模器件制造的竞争性候选材料 [6],[7],[8],[9]。

近年来，通过先进的边缘终止技术，人们一直在深入研究垂直β-Ga2O3肖特基势垒二极管（SBD），以追求更高的功率优值（PFOM），这些技术可以抑制电场拥挤并延长可靠的阻断能力 [10],[11],[12]。然而，重掺杂接触层的外延再生通常需要额外的高温处理步骤，这可能限制其在大规模器件制造中的适用性。目前，大多数先进的垂直β-Ga2O3二极管采用轻掺杂（LD）外延（10^15-10^16 cm^-3）漂移层，这些漂移层通过卤化物气相外延（HVPE）[13]或金属有机化学气相沉积（MOCVD）[14],[15],[16]方法生长。然而，为了实现Ga2O3功率器件的大规模生产，仍需解决高质量、低掺杂度厚漂移层的非均匀性问题 [17]。另一种有前景的器件策略是开发具有可控掺杂水平的Ga2O3单晶衬底：直接利用衬底作为漂移区可以为β-Ga2O3功率器件的工业化制造提供可行方案 [18],[19],[20],[21],[22]。为了提高垂直β-Ga2O3二极管的Vbr，通常使用载流子浓度为10^15-10^16 cm^-3的LD衬底作为漂移区。然而，当使用LD β-Ga2O3衬底作为漂移区以实现高Vbr时，阴极处耗尽区的扩大使得维持低导通电阻变得越来越困难。因此，在这一技术框架内，改善阴极欧姆接触对于降低垂直Ga2O3器件的Ron,sp至关重要 [23]。正如我们之前的研究所展示的，原位沉积高掺杂的β-Ga2O3薄膜可以有效降低垂直β-Ga2O3器件的Ron,sp [24]。不过，外延再生重掺杂接触层通常需要额外的高温处理步骤，这可能限制其在大规模器件制造中的适用性。

在这项工作中，我们证明了通过室温（RT）磁控溅射沉积的掺杂度高的氧化铟锡（ITO）中间层为垂直β-Ga2O3 SBD提供了一种有效且可扩展的阴极接触策略。引入ITO层后，Ron,sp从1580 mΩ·cm^2降低到26 mΩ·cm^2（在5 V下），表明欧姆接触特性显著改善。此外，采用SiO2场板（FP）结构的器件保持了1.75 kV的高击穿电压，与先前报道的先进β-Ga2O3 SBD相当。本研究为高性能β-Ga2O3功率器件的开发提供了一条可靠且经济的技术途径。

**部分内容**
**薄膜生长和SBD制造**
图1展示了垂直β-Ga2O3 SBD的制造过程关键步骤。如图1(a)所示，器件是在500 μm厚的LD（100）β-Ga2O3衬底（由杭州Garen半导体有限公司提供）上制造的，图1(b)展示了制造出的SBD的顶视图光学图像。随后，在Ar气氛下通过RT磁控溅射在衬底上沉积ITO薄膜以构建阴极界面。然后制备了Ti/Au金属堆栈。

**结果与讨论**
如图2(a)所示，为了阐明阴极界面的主要载流子传输机制，在有和没有ITO中间层的LD β-Ga2O3衬底上制备了孤立的圆形传输线模型（CTLM）结构 [25]。如图2(b)所示，直接的β-Ga2O3/Ti/Au接触表现出明显的整流行为，表明这是一个非欧姆界面。这种行为可归因于衬底的低施主浓度，导致耗尽区变宽。

**结论**
我们通过引入室温下溅射的20纳米掺杂度高的ITO中间层，成功制备了一种1.75 kV的垂直β-Ga2O3基肖特基势垒二极管，其欧姆接触电阻率较低。薄且掺杂度高的ITO中间层诱导了强烈的带弯曲和窄耗尽区，实现了场发射主导的隧穿和更高效的载流子传输。这种方法有效克服了轻掺杂β-Ga2O3的大接触电阻问题。

**作者贡献声明**
严坦：撰写——原始草稿、研究、数据分析。
刘宁涛：撰写——审稿与编辑、研究、资金获取、数据分析、概念化。
刘长：研究、数据分析。
夏宁：资源协调。
林浩波：研究、数据分析。
叶继春：撰写——审稿与编辑、资源协调、项目管理。
张文瑞：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取、数据分析、概念化。

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

**致谢**
本工作得到了国家自然科学基金（项目编号62204244）和浙江省自然科学基金（项目编号LQ23F040003）的支持。部分研究还得到了宁波永江人才引进计划（项目编号2021A-046-C）的资助。