In this Letter, high-performance β-Ga2O3 vertical heterojunction barrier Schottky (HJBS) diodes have been demonstrated together with the investigation of reverse leakage mechanisms. In HJBS configurations, NiO/β-Ga2O3 p-n heterojunctions and p-NiO field limiting rings (FLRs) are implemented by using a reactive sputtering technique at room temperature without intentional etching damages. Determined from the temperature-dependent current-voltage characteristics, the reverse leakage mechanism of the HJBS diode is identified to be Poole-Frenkel emission through localized trap sates with an energy level of EC-0.72 eV. With an uniform FLR width/spacing of 2 μm in HJBS, a maximum breakdown voltage (BV) of 1.89 kV and a specific on-resistance (Ron,sp) of 7.7 mΩ·cm2 are achieved, yielding a high Baliga's figure-of-merit (FOM, BV2/Ron,sp) of 0.46 GW/cm2. The electric field simulation and statistical experimental facts indicate that the electric field crowding effect at device edges is greatly suppressed by the shrinkage of p-NiO FLR spacing, and the capability of sustaining high BV is enhanced by the NiO/β-Ga2O3 bipolar structure, both of which contribute to the improved device performance. This work makes a significant step to achieve high performance β-Ga2O3 power devices by implementing alternative bipolar structures to overcome the difficulty in p-type β-Ga2O3.

1.
M.
Higashiwaki
,
K.
Sasaki
,
A.
Kuramata
,
T.
Masui
, and
S.
Yamakoshi
,
Appl. Phys. Lett.
100
,
013504
(
2012
).
2.
S. J.
Pearton
,
J. C.
Yang
,
P. H.
Cary
, IV
,
F.
Ren
,
J.
Kim
,
M. J.
Tadjer
, and
M. A.
Mastro
,
Appl. Phys. Rev.
5
,
011301
(
2018
).
3.
S. J.
Pearton
,
F.
Ren
,
M.
Tadjer
, and
J.
Kim
,
J. Appl. Phys.
124
,
220901
(
2018
).
4.
A.
Kuramata
,
K.
Koshi
,
S.
Watanabe
,
Y.
Yamaoka
,
T.
Masui
, and
S.
Yamakoshi
,
Jpn. J. Appl. Phys.
55
,
1202A2
(
2016
).
5.
M.
Higashiwaki
and
G. H.
Jessen
,
Appl. Phys. Lett.
112
,
060401
(
2018
).
6.
W. S.
Li
,
K.
Nomoto
,
Z. Y.
Hu
,
D.
Jena
, and
H. L. G.
Xing
,
IEEE Electron Device Lett.
41
,
107
(
2020
).
7.
A.
Kyrtsos
,
M.
Matsubara
, and
E.
Bellotti
,
Appl. Phys. Lett.
112
,
032108
(
2018
).
8.
J. B.
Varley
,
A.
Janotti
,
C.
Franchini
, and
C. G.
Van de Walle
,
Phys. Rev. B
85
,
081109
(
2012
).
9.
Y.
Kokubun
,
S.
Kubo
, and
S.
Nakagomi
,
Appl. Phys. Express
9
,
091101
(
2016
).
10.
X.
Lu
,
X. D.
Zhou
,
H. X.
Jiang
,
K. W.
Ng
,
Z. M.
Chen
,
Y. L.
Pei
,
K. M.
Lau
, and
G.
Wang
,
IEEE Electron Device Lett.
41
,
449
(
2020
).
11.
H. H.
Gong
,
X. H.
Chen
,
Y.
Xu
,
F. F.
Ren
,
S. L.
Gu
, and
J. D.
Ye
,
Appl. Phys. Lett.
117
,
022104
(
2020
).
12.
H. H.
Gong
,
X. H.
Chen
,
Y.
Xu
,
Y. T.
Chen
,
F. F.
Ren
,
B.
Liu
,
S. L.
Gu
,
R.
Zhang
, and
J. D.
Ye
,
IEEE Trans. Electron Dev.
67
,
3341
(
2020
).
13.
Y. J.
Lv
,
Y. G.
Wang
,
X. C.
Fu
,
S. B.
Dun
,
Z. F.
Sun
,
H. Y.
Liu
,
X. Y.
Zhou
,
X. B.
Song
,
K.
Dang
,
S. X.
Liang
,
J. C.
Zhang
,
H.
Zhou
,
Z. H.
Feng
,
S. J.
Cai
, and
Y.
Hao
,
IEEE Trans. Power Electron.
36
,
6179
(
2021
).
14.
T.
Hirao
,
H.
Onose
,
K.
Yasui
, and
M.
Mori
,
IEEE Trans. Electron Devices
67
,
2850
(
2020
).
15.
X. C.
Deng
,
S. D.
Xu
,
B.
Zhang
,
L. R.
Zeng
,
C. Z.
Li
,
J.
Wu
, and
J. T.
Li
, in
WiPDA Asia
(
2018
), pp.
144
148
.
16.
K.
Goto
,
K.
Konishi
,
H.
Murakami
,
Y.
Kumagai
,
B.
Monemar
,
M.
Higashiwaki
,
A.
Kuramata
, and
S.
Yamakoshi
,
Thin Solid Films
666
,
182
(
2018
).
17.
Y.
Xu
,
X. H.
Chen
,
D.
Zhou
,
F. F.
Ren
,
J. J.
Zhou
,
S.
Bai
,
H.
Lu
,
S. L.
Gu
,
R.
Zhang
,
Y. D.
Zheng
, and
J. D.
Ye
,
IEEE Trans. Electron Dev.
66
,
2276
(
2019
).
18.
L. D.
Zhou
,
X.
Lu
,
L.
Chen
,
X. P.
Ouyang
,
B.
Liu
,
J.
Xu
, and
H. L.
Tang
,
ECS J. Solid State Sci.
8
,
Q3054
(
2019
).
19.
T. T.
Kao
,
J.
Kim
,
Y. C.
Lee
,
A. F. M. S.
Haq
,
M. H.
Ji
,
T.
Detchprohm
,
R. D.
Dupuis
, and
S. C.
Shen
,
IEEE Trans. Electron Dev.
62
,
2679
(
2015
).
20.
C. D.
Santi
,
M.
Fregolent
,
M.
Buffolo
,
M. H.
Wong
,
M.
Higashiwaki
,
G.
Meneghesso
,
E.
Zanoni
, and
M.
Meneghini
,
Appl. Phys. Lett.
117
,
262108
(
2020
).
21.
W. S.
Li
,
K.
Nomoto
,
M.
Pilla
,
M.
Pan
,
X.
Gao
,
D.
Jena
, and
H. G.
Xing
,
IEEE Trans. Electron Dev.
64
,
1635
(
2017
).
22.
T.
Hayashida
,
T.
Nanjo
,
A.
Furukawa
,
T.
Watahiki
, and
M.
Yamamuka
,
Jpn. J. Appl. Phys.
57
,
040302
(
2018
).
23.
S. W.
Han
,
S.
Yang
, and
K.
Sheng
,
IEEE Electron Dev. Lett.
40
,
1040
(
2019
).
24.
W.
Li
,
Z.
Hu
,
K.
Nomoto
,
R.
Jinno
,
Z.
Zhang
,
T. Q.
Tu
,
K.
Sasaki
,
A.
Kuramata
,
D.
Jena
, and
H. G.
Xing
, in
IEDM Technical Digest
(
2018
), pp.
8.5.1
8.5.4
.
25.
W. S.
Li
,
Z. Y.
Hu
,
K.
Nomoto
,
Z. X.
Zhang
,
J. Y.
Hsu
,
Q. T.
Thieu
,
K.
Sasaki
,
A.
Kuramata
,
D.
Jena
, and
H. L. G.
Xing
,
Appl. Phys. Lett.
113
,
202101
(
2018
).
26.
H.
Zhou
,
Q. L.
Yan
,
J. C.
Zhang
,
Y. J.
Lv
,
Z. H.
Liu
,
Y. N.
Zhang
,
K.
Dang
,
P. F.
Dong
,
Z. Q.
Feng
,
Q.
Feng
,
J.
Ning
,
C. F.
Zhang
,
P. J.
Ma
, and
Y.
Hao
,
IEEE Electron Device Lett.
40
,
1788
(
2019
).
27.
C. H.
Lin
,
Y.
Yuda
,
M. H.
Wong
,
M.
Sato
,
N.
Takekawa
,
K.
Konishi
,
T.
Watahiki
,
M.
Yamamuka
,
H.
Murakami
,
Y.
Kumagai
, and
M.
Higashiwaki
,
IEEE Electron Device Lett.
40
,
1487
(
2019
).
28.
Y. G.
Wang
,
Y. J.
Lv
,
S. B.
Long
,
X. Y.
Zhou
,
X. B.
Song
,
S. L.
Liang
,
T. T.
Han
,
X.
Tan
,
Z. H.
Feng
,
S. J.
Cai
, and
M.
Liu
,
IEEE Electron Device Lett.
41
,
131
(
2020
).
29.
N.
Allen
,
M.
Xiao
,
X. D.
Yan
,
K.
Sasaki
,
M. J.
Tadjer
,
J. H.
Ma
,
R. Z.
Zhang
,
H.
Wang
, and
Y. H.
Zhang
,
IEEE Electron Device Lett.
40
,
1399
(
2019
).
30.
K.
Konishi
,
K.
Goto
,
H.
Murakami
,
Y.
Kumagai
,
A.
Kuramata
,
S.
Yamakoshi
, and
M.
Higashiwak
,
Appl. Phys. Lett.
110
,
103506
(
2017
).
31.
M.
Higashiwaki
,
K.
Sasaki
,
K.
Goto
,
K.
Nomura
,
Q. T.
Thieu
,
R.
Togashi
,
H.
Murakami
,
Y.
Kumagai
,
B.
Monemar
,
A.
Koukitu
,
A.
Kuramata
, and
S.
Yamakoshi
, in
Proceedings of 73rd IEEE Device Research Conference
(
2015
), pp.
29
30
.
32.
J. C.
Yang
,
S.
Ahn
,
F.
Ren
,
S. J.
Pearton
,
S.
Jang
, and
A.
Kuramata
,
IEEE Electron Device Lett.
38
,
906
(
2017
).
33.
J. C.
Yang
,
S.
Ahn
,
F.
Ren
,
S. J.
Pearton
,
S.
Jang
,
J.
Kim
, and
A.
Kuramata
,
Appl. Phys. Lett.
110
,
192101
(
2017
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.