由沙特阿拉伯阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)李曉航教授的研究團(tuán)隊(duì)在學(xué)術(shù)期刊 Advanced Electronic Materials 發(fā)布了一篇名為 On Ga₂O₃ Self-Switching Nano-Diodes（關(guān)于 Ga₂O₃ 自開關(guān)納米二極管）的文章。本文是AEM封面論文。

1. 背景

自開關(guān)二極管（SSD）或稱無(wú)柵極二極管，是一種兩端非線性器件，其獨(dú)特的非對(duì)稱納米通道能夠使其在沒有外部柵極控制的情況下，實(shí)現(xiàn)類似晶體管的電流飽和特性。SSDs 因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低、易于集成，并在高頻下仍能保持強(qiáng)非線性特性，被認(rèn)為是太赫茲（THz）技術(shù)的理想候選者。傳統(tǒng)的 SSDs 通?；?III-V 族半導(dǎo)體，這些材料的帶隙較窄，限制了器件的擊穿電壓和功率處理能力。寬禁帶半導(dǎo)體，特別是 β-氧化鎵（β-Ga₂O₃），因其超寬禁帶（~4.9 eV）和高擊穿場(chǎng)強(qiáng)（~8 MV/cm），為開發(fā)具有更高擊穿電壓和更大動(dòng)態(tài)范圍的 SSDs 提供了新的材料平臺(tái)。此前的 Ga₂O₃ 基 SSDs 研究主要基于剝離的納米薄片，這種方法難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、可重復(fù)的制造。通過(guò)直接在晶圓上外延生長(zhǎng)并采用平面工藝制造 SSDs 是實(shí)現(xiàn)其商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵。

2. 主要內(nèi)容

本文提出了第一個(gè)外延 Ga₂O₃ 自開關(guān)納米二極管（SSND）。與以往主要關(guān)注整流性能的 SSND 研究不同，本研究進(jìn)一步探索了該器件的其他特性，包括擊穿電壓和光檢測(cè)功能。隨著器件溝槽的相對(duì)介電常數(shù)（κ）增加以及在紫外線照射下，二極管的電流呈現(xiàn)出顯著提升。相對(duì)介電常數(shù)較高的器件可實(shí)現(xiàn)約 10 kA cm⁻² 的高電流密度、約 10⁴ 的整流比，以及低至 0.29 mΩ cm² 的特定導(dǎo)通電阻。此外，其擊穿電壓超過(guò) 100 V，最大功率性能指標(biāo)達(dá) 35.46 MW cm⁻²。此外，在 240 nm 光照射下，二極管的響應(yīng)度接近 10⁴ A W⁻¹。這些初步結(jié)果表明，SSNDs 在目前正被廣泛研究用于各種應(yīng)用的單片 Ga₂O₃ 電路方面具有潛力。

3. 創(chuàng)新點(diǎn)

● 首次基于外延生長(zhǎng)的 β-Ga₂O₃ 薄膜成功制造出自開關(guān)納米二極管（SSD）。

● 展示了通過(guò)改變納米通道的幾何尺寸來(lái)精確調(diào)控器件關(guān)鍵電學(xué)參數(shù)的可行性。

● 制造的 SSDs 展現(xiàn)出高開關(guān)比（>10⁵）和良好的高溫工作能力（高達(dá) 175 °C），證明了 Ga₂O₃ 在高頻、高功率應(yīng)用中的潛力。

4. 總結(jié)

本研究表明 β-Ga₂O₃ SSNDs 在實(shí)現(xiàn)多種功能方面具有巨大潛力。β-Ga₂O₃ SSNDs 展現(xiàn)出約 10 kA cm⁻² 的高電流密度和極低的特定 R_on,sp 值（低于 0.8 mΩ cm²），最低可達(dá) 0.29 mΩ cm²，與基于原生 β-Ga₂O₃ 襯底制備的先進(jìn)二極管相當(dāng)。SSNDs 的電壓比（V_BR）約為 109 V，功率密度（PFOM）為 35.46 MW cm⁻²。此外，SSNDs 對(duì)深紫外光表現(xiàn)出光響應(yīng)，在 240 nm 光照下于 15 V 電壓下響應(yīng)度接近 10⁴ A W⁻¹。因此，β-Ga₂O₃ SSNDs 被認(rèn)為可在未來(lái) β-Ga₂O₃ 單片集成電路中提供多種有前景的功能。

圖1． a) 10溝道 Ga₂O₃ SSND 的 3D 示意圖，以及 b) 制備的器件對(duì)應(yīng)的頂視SEM圖像。

圖2．SSND 在 a) 正向偏壓和 b) 反向偏壓下的示意圖，顯示相應(yīng)的耗盡區(qū)；以及在 c) 正向偏壓和 d) 反向偏壓下與 SSND 通道垂直的能帶圖。

DOI：

doi.org/10.1002/aelm.202500177

本文轉(zhuǎn)發(fā)自《亞洲氧化鎵聯(lián)盟》訂閱號(hào)