P-NiO/ β -Ga2O3异质结横向肖特基势垒二极管电学特性仿真研究

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0232

人工晶体学报 ›› 2026, Vol. 55 ›› Issue (4): 609-618.DOI: 10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0232

P-NiO/ β -Ga₂O₃异质结横向肖特基势垒二极管电学特性仿真研究

刘晋花¹^,²(), 余建刚²^,³(), 李子唯²^,³, 李旺旺¹(), 杨晓利⁴, 雷程²^,³, 梁庭²^,³

^1.太原师范学院物理系，晋中 030600
^2.中北大学宽禁带半导体超越照明材料与技术全国重点实验室，太原 030051
^3.中北大学半导体与物理学院，太原 030051
^4.重庆邮电大学数学与统计学院，重庆 400056

收稿日期:2025-11-08 出版日期:2026-04-20 发布日期:2026-05-19
通信作者: 余建刚，博士，副教授。E-mail：yujg@nuc.edu.cn；
李旺旺，博士，讲师。E-mail：liwangwang@ynu.edu.cn
作者简介:刘晋花（2001—），女，山西省人，硕士研究生。E-mail：18235886701@163.com
基金资助:
山西省重点研发计划(202302030201001);国家自然科学基金(62301509);中国博士后科学基金(2024MD754039);山西省基础研究计划青年项目(202203021212191);国家自然科学基金专项项目(62441110);仪器科学与动态测试教育部重点实验室开放基金(JYBSYSKFJJ319008)

Simulation Study on Electrical Characteristics of P-NiO/ β -Ga₂O₃ Heterojunction Lateral Schottky Barrier Diodes

LIU Jinhua¹^,²(), YU Jiangang²^,³(), LI Ziwei²^,³, LI Wangwang¹(), YANG Xiaoli⁴, LEI Cheng²^,³, LIANG Ting²^,³

^1.Department of Physics，Taiyuan Normal University，Jinzhong 030600，China
^2.State Key Laboratory of Widegap Semiconductor Optoelectronic Materials and Technologies，North University of China，Taiyuan 030051，China
^3.School of Semiconductor and Physics，North University of China，Taiyuan 030051，China
^4.School of Mathematics and Statistics，Chongqing University of Posts and Telecommunications，Chongqing 400056，China

Received:2025-11-08 Online:2026-04-20 Published:2026-05-19

摘要/Abstract

摘要： 氧化镓（β-Ga₂O₃）因宽禁带、高临界击穿电场及低成本衬底优势在功率器件领域有广阔应用前景。由于P型掺杂技术瓶颈制约了β-Ga₂O₃同质结肖特基势垒二极管（SBD）的发展，本文提出以P-NiO代替P型β-Ga₂O₃的P-NiO/β-Ga₂O₃异质结SBD结构。通过Sentaurus TCAD软件，重点研究了P-NiO掺杂浓度、P-NiO厚度（W）及阳极长度（L_a）对器件电学性能的影响。结果表明：P-NiO掺杂浓度的增加导致耗尽区扩展到β-Ga₂O₃材料一侧，致使电场分布均匀性提升，在P-NiO掺杂浓度为3×10¹⁸ cm^-3时性能最优，此时比导通电阻（R_on，sp）为1.411 mΩ·cm²，反向击穿电压为3 312.2 V，功率品质因数（PFOM）为7.77 GW/cm²；进一步优化L_a和W，缓解了边缘电场集中效应，最终器件R_on，sp降低至0.823 mΩ·cm²，反向击穿电压提升至3 638.3 V，PFOM达到16.08 GW/cm²。本文的结构为高性能β-Ga₂O₃ SBD的设计研制提供了理论依据。

关键词: 氧化镓; 氧化镍; 肖特基势垒二极管; 比导通电阻; 击穿电压; 功率品质因数; 仿真研究

Abstract: Gallium oxide （β-Ga₂O₃） is endowed with broad application prospects in the field of power devices， as it possesses a wide bandgap， a high critical breakdown electric field， and low-cost substrates. However， the development of β-Ga₂O₃ homojunction Schottky barrier diodes （SBD） is restricted by the bottleneck of P-type doping technology. To address this issue， a P-NiO/β-Ga₂O₃ heterojunction SBD structure was proposed， in which P-NiO was used to replace P-type β-Ga₂O₃.The effects of P-NiO doping concentration， P-NiO thickness （W）， and anode length （L_a） on the electrical properties of devices were studied by means of Sentaurus TCAD software. The results show that the increase of P-NiO doping concentration leads to the expansion of the depletion region to the side of the β-Ga₂O₃ material， resulting in the improvement of the uniformity of the electric field distribution. When the P-NiO doping concentration is 3×10¹⁸ cm^-3， the performance is the best. At this time， the specific on-resistance （R_on，sp） is 1.411 mΩ·cm²， the reverse breakdown voltage is 3 312.2 V， and the power figure of merit （PFOM） is 7.77 GW/cm². L_a and W are further optimized to alleviate the edge electric field concentration effect. Finally， the R_on，sp of the device reduces to 0.823 mΩ·cm²， the reverse breakdown voltage increases to 3 638.3 V， and the PFOM reaches 16.08 GW/cm². The structure of this paper provides a theoretical basis for the design and development of high performance β-Ga₂O₃ SBD.

Key words: gallium oxide; nickel oxide; Schottky barrier diode; specific on-resistance; breakdown voltage; power figure of merit; simulation study

中图分类号:

TN311⁺.7

刘晋花, 余建刚, 李子唯, 李旺旺, 杨晓利, 雷程, 梁庭. P-NiO/ β -Ga₂O₃异质结横向肖特基势垒二极管电学特性仿真研究[J]. 人工晶体学报, 2026, 55(4): 609-618.

LIU Jinhua, YU Jiangang, LI Ziwei, LI Wangwang, YANG Xiaoli, LEI Cheng, LIANG Ting. Simulation Study on Electrical Characteristics of P-NiO/ β -Ga₂O₃ Heterojunction Lateral Schottky Barrier Diodes[J]. Journal of Synthetic Crystals, 2026, 55(4): 609-618.

图/表 8

图1 P-NiO/β-Ga2O3异质结SBD。（a）结构参数图；（b）电场峰值截取示意图

Fig.1 P-NiO/β-Ga2O3 heterojunction SBD. （a） Structural parameter diagram；（b） schematic diagram of electric field peak value interception

表1 模拟用 β -Ga2O3和NiO的主要材料参数

Table1 Main material parameters of β -Ga2O3 and NiO for simulation

Parameter	β-Ga₂O₃	NiO
Energy bandgap/eV	4.6~4.9	3.8~4.2
Dielectric constant	10.2	11.8
Electron affinity/eV	4.0	1.8
Effective hole mass	—	6
Effective electron mass	0.28	—
Critical electric field/（MV·cm^-1）	8	4.8~6.2

图2 不同P-NiO掺杂浓度下器件的电学特性。（a）正向导通特性；（b）击穿特性；（c）Von和Ron，sp；（d）BV和PFOM

Fig.2 Electrical characteristics of devices with different P-NiO doping concentrations. （a） Forward conduction characteristics；（b） breakdown characteristics；（c） Von and Ron，sp；（d） BV and PFOM

图3 不同P-NiO掺杂浓度下器件的电场峰值。（a）E1点水平截面电场峰值；（b）E2点水平截面电场峰值

Fig.3 Electric field peak values of devices with different P-NiO doping concentrations. （a） E1 point horizontal cross-section electric field peak values；（b） E2 point horizontal cross-section electric field peak values

图4 不同阳极长度下器件的电学特性。（a）Von和Ron，sp；（b）BV和PFOM

Fig.4 Electrical characteristics of devices with different anode lengths. （a） Von and Ron，sp；（b） BV and PFOM

图5 不同阳极长度下器件的电场峰值。（a）E1点水平截面电场峰值；（b）E2点水平截面电场峰值

Fig.5 Electric field peak values of devices with different anode lengths. （a） E1 point horizontal cross-section electric field peak values；（b） E2 point horizontal cross-section electric field peak values

图6 不同P-NiO厚度下器件的电学特性。（a）Von和Ron，sp；（b）BV和PFOM

Fig.6 Electrical characteristics of devices with different P-NiO thicknesses. （a） Von and Ron，sp；（b） BV and PFOM

图7 不同P-NiO厚度下器件的电场峰值。（a）E1点垂直截面电场峰值；（b）E2点垂直截面电场峰值

Fig.7 Electric field peak values of device with different P-NiO thicknesses. （a） E1 point vertical cross-section electric field peak values；（b） E2 point vertical cross-section electric field peak values

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P-NiO/ β -Ga₂O₃异质结横向肖特基势垒二极管电学特性仿真研究

Simulation Study on Electrical Characteristics of P-NiO/ β -Ga₂O₃ Heterojunction Lateral Schottky Barrier Diodes

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