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研究內容

隨著電力電子技術在汽車電子、醫療器械、航空航天等領域的應用越來越廣泛，寬禁帶半導體材料與器件的研究和發展也進入了加速階段。氧化鎵（Ga?O?）作為新一代超寬禁帶半導體的典型代表，具有較高的擊穿場強和較低的襯底制造成本，是下一代功率半導體器件的理想材料。然而，目前基于氧化鎵的功率二極管主要關注擊穿電壓的提升和導通電阻的降低，對開啟電壓的研究有待進一步挖掘。高的開啟電壓將會大幅增加功率器件的開關損耗，長遠來看不利于氧化鎵基功率器件的實際應用。

為此，郝躍院士團隊開展了氧等離子體處理對氧化鎵基功率二極管的影響研究，通過設計三種器件（N?O等離子體處理、O?等離子體處理和無處理），對比分析含氧等離子體處理對Ga?O?肖特基二極管開啟電壓、導通電阻、擊穿電壓、界面特性的影響。研究發現，N?O等離子體處理可以有效降低二極管的開啟電壓，且可以通過降低缺陷密度提升器件的擊穿電壓。

通過器件的正向特性研究發現，N?O等離子體處理、O?等離子體處理和無處理器件的開啟電壓分別為0.6V、1.1V和0.8V，導通電阻分別為3.5mΩ·cm2、4.2mΩ·cm2和4.0mΩ·cm2。N?O等離子體處理二極管的開啟電壓和導通電阻均得到有效降低。通過器件的溫度穩定性研究發現，器件開啟電壓隨溫度升高有減小的趨勢；N?O處理的器件在473K時泄漏電流顯著增加；O?處理的器件開啟電壓隨溫度變化更明顯。

通過X射線光電子能譜學分析發現，N?O等離子體處理后氧化鎵材料表面會在19.48eV處形成Ga-N鍵，弱GaN的形成是器件開啟電壓降低的原因。隨后通過反向擊穿特性研究，發現N?O等離子體處理和O?等離子體處理均能提升二極管器件的擊穿電壓，從中可以推測含氧等離子體處理能有效填充氧空位從而降低陽極區域的缺陷。最后對三種器件的陷阱態特性進行了分析。研究表明，N?O等離子體處理和O?等離子體處理的器件具有較小的缺陷狀態能級和缺陷狀態密度，充分說明了含氧離子處理可以優化界面特性，有助于改善Ga?O?肖特基二極管的性能。

圖1. 等離子體處理的二極管示意圖及顯微照片

圖2.器件的正向IV特性曲線

圖3 XPS測試圖和器件的反向擊穿特性曲線

圖4 器件的C-V特性及陷阱態信息

該成果以“Research on the β-Ga?O? Schottky barrier diodes with oxygen-containing plasma treatment”為題，發表于Applied Physics Letters。該成果由何云龍副教授為論文第一作者，鄭雪峰教授與馬曉華教授為通訊作者。該研究工作為低開啟電壓的氧化鎵基功率二極管的研制提供了重要基礎。

審核編輯：劉清