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Design and performance optimization of high-voltage termination structure for h-BN/β-Ga2O3 heterojunction power diode

材料科学 光电子学 击穿电压 二极管 异质结 氮化镓 兴奋剂 宽禁带半导体 带隙 肖特基二极管 半导体 电场 肖特基势垒 功率半导体器件 电压 工程物理 电子工程 高压 半导体器件 氮化物 反向二极管 发光二极管 低压 碳化硅 砷化镓
作者
Jia ZENG,Xiaorui XU,Minmin ZHU,Haizhong Zhang
出处
期刊:Journal of Functional Materials and Devices [Chinese Academy of Sciences]
标识
DOI:10.3724/jfmd.2601021
摘要

Gallium oxide (β-Ga2O3), an ultra-wide bandgap semiconductor with a bandgap of approximately 4.9 eV, exhibits a high critical breakdown electric field of 8 MV·cm−1 and an excellent Baliga's figure of merit. These properties render it highly advantageous for next-generation high-voltage and low-power consumption power electronics. However, its device performance is limited by challenges in achieving p-type doping. Hexagonal boron nitride (h-BN), a high-performance ultra-wide bandgap semiconductor material with a bandgap of approximately 6.0 eV, not only demonstrates an exceptionally high breakdown electric field and thermal conductivity but also facilitates more stable p-type doping compared to β-Ga2O3. This characteristic presents an ideal material solution to address the p-type doping challenges inherent in traditional β-Ga2O3 devices. In this study, an innovative h-BN/β-Ga2O3 heterojunction diode is proposed to overcome the low VB limitation of conventional Ga2O3 diodes. Furthermore, a composite termination structure incorporating trenches and field-limiting rings is designed through TCAD simulation to enhance the device's breakdown voltage. Compared to a basic Ga2O3 Schottky diode with a VB of 416 V, the proposed h-BN/β-Ga2O3 heterojunction diode achieves a VB of 524 V, representing a 25.7% improvement in voltage resistance. After optimizing the device termination structure, the final breakdown voltage increases to 2480 V, achieving a performance enhancement of 473.28%. This work effectively addresses the challenges of p-type doping in Ga2O3 and electric field concentration through the design of the h-BN/β-Ga2O3 heterojunction and high-voltage termination structure, offering a significant technical reference for the advancement of high-voltage Ga2O3 diodes.

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