Vertical heterojunction NiO/β n-Ga2O/n+ Ga2O3 rectifiers employing NiO layer extension beyond the rectifying contact for edge termination exhibit breakdown voltages (VB) up to 4.7 kV with a power figure-of-merits, VB2/RON of 2 GW·cm−2, where RON is the on-state resistance (11.3 mΩ cm2). Conventional rectifiers fabricated on the same wafers without NiO showed VB values of 840 V and a power figure-of-merit of 0.11 GW cm−2. Optimization of the design of the two-layer NiO doping and thickness and also the extension beyond the rectifying contact by TCAD showed that the peak electric field at the edge of the rectifying contact could be significantly reduced. The leakage current density before breakdown was 144 mA/cm2, the forward current density was 0.8 kA/cm2 at 12 V, and the turn-on voltage was in the range of 2.2–2.4 V compared to 0.8 V without NiO. Transmission electron microscopy showed sharp interfaces between NiO and epitaxial Ga2O3 and a small amount of disorder from the sputtering process.

1.
H.
Fu
,
K.
Fu
,
S.
Chowdhury
,
T.
Palacios
, and
Y.
Zhao
,
IEEE Trans. Electron Devices
68
,
3200
(
2021
).
2.
H.
Fu
,
K.
Fu
,
S.
Chowdhury
,
T.
Palacios
, and
Y.
Zhao
,
IEEE Trans. Electron Devices
68
,
3212
(
2021
).
3.
J.
Ballestín-Fuertes
,
J.
Muñoz-Cruzado-Alba
,
J. F.
Sanz-Osorio
, and
E.
Laporta-Puyal
,
Electronics
10
,
677
(
2021
).
4.
Y.
Zhang
and
T.
Palacios
,
IEEE Trans. Electron Devices
67
,
3960
(
2020
).
5.
J. Y.
Tsao
,
S.
Chowdhury
,
M. A.
Hollis
,
D.
Jena
,
N. M.
Johnson
,
K. A.
Jones
,
R. J.
Kaplar
,
S.
Rajan
,
C. G.
Van de Walle
,
E.
Bellotti
,
C. L.
Chua
,
R.
Collazo
,
M. E.
Coltrin
,
J. A.
Cooper
,
K. R.
Evans
,
S.
Graham
,
T. A.
Grotjohn
,
E. R.
Heller
,
M.
Higashiwaki
,
M. S.
Islam
,
P. W.
Juodawlkis
,
M. A.
Khan
,
A. D.
Koehler
,
J. H.
Leach
,
U. K.
Mishra
,
R. J.
Nemanich
,
R.
Pilawa-Podgurski
,
J. B.
Shealy
,
Z.
Sitar
,
M. J.
Tadjer
,
A. F.
Witulski
,
M.
Wraback
, and
J. A.
Simmons
,
Adv. Electron. Mater.
4
,
1600501
(
2018
).
6.
Y.
Sun
,
X.
Kang
,
Y.
Zheng
,
J.
Lu
,
X.
Tian
,
K.
Wei
,
H.
Wu
,
W.
Wang
,
X.
Liu
, and
G.
Zhang
,
Electronics
8
,
575
(
2019
).
7.
M.
Meneghini
,
C. D.
Santi
,
I.
Abid
,
M.
Buffolo
,
M.
Cioni
,
R.
Abdul Khadar
,
L.
Nela
,
N.
Zagni
,
A.
Chini
,
F.
Medjdoub
,
G.
Meneghesso
,
G.
Verzellesi
,
E.
Zanoni
, and
E.
Matioli
,
J. Appl. Phys.
130
,
181101
(
2021
).
8.
M. H.
Wong
and
M.
Higashiwaki
,
IEEE Trans. Electron Devices
67
,
3925
(
2020
).
9.
A. J.
Green
,
J.
Speck
,
G.
Xing
,
P.
Moens
,
F.
Allerstam
,
K.
Gumaelius
,
T.
Neyer
,
A.
Arias-Purdue
,
V.
Mehrotra
,
A.
Kuramata
,
K.
Sasaki
,
S.
Watanabe
,
K.
Koshi
,
J.
Blevins
,
O.
Bierwagen
,
S.
Krishnamoorthy
,
K.
Leedy
,
A. R.
Arehart
,
A. T.
Neal
,
S.
Mou
,
S. A.
Ringel
,
A.
Kumar
,
A.
Sharma
,
K.
Ghosh
,
U.
Singisetti
,
W.
Li
,
K.
Chabak
,
K.
Liddy
,
A.
Islam
,
S.
Rajan
,
S.
Graham
,
S.
Choi
,
Z.
Cheng
, and
M.
Higashiwaki
,
APL Mater.
10
,
029201
(
2022
).
10.
S. J.
Pearton
,
F.
Ren
,
M.
Tadjer
, and
J.
Kim
,
J. Appl. Phys.
124
,
220901
(
2018
).
11.
S. B.
Reese
and
A.
Zakutayev
,
Proc. SPIE
11281
,
112810H
(
2020
).
12.
C.
Wang
,
J.
Zhang
,
S.
Xu
,
C.
Zhang
,
Q.
Feng
,
Y.
Zhang
,
J.
Ning
,
S.
Zhao
,
H.
Zhou
, and
Y.
Hao
,
J. Phys. D
54
,
243001
(
2021
).
13.
S.
Sharma
,
K.
Zeng
,
S.
Saha
, and
U.
Singisetti
,
IEEE Electron Device Lett.
41
(
6
),
836
(
2020
).
14.
J.
Yang
,
F.
Ren
,
M.
Tadjer
,
S. J.
Pearton
, and
A.
Kuramata
,
AIP Adv.
8
,
055026
(
2018
).
15.
S.
Roy
,
A.
Bhattacharyya
,
P.
Ranga
,
H.
Splawn
,
J.
Leach
, and
S.
Krishnamoorthy
,
IEEE Electron Device Lett.
42
,
1140
(
2021
).
16.
X.
Lu
,
X.
Zhou
,
H.
Jiang
,
K. W.
Ng
,
Z.
Chen
,
Y.
Pei
,
K. M.
Lau
, and
G.
Wang
,
IEEE Electron Device Lett.
41
,
449
(
2020
).
17.
B.
Chatterjee
,
K.
Zeng
,
C. D.
Nordquist
,
U.
Singisetti
, and
S.
Choi
,
IEEE Trans. Compon, Packag., Manuf. Technol.
9
,
2352
(
2019
).
18.
K. D.
Chabak
,
K. D.
Leedy
,
A. J.
Green
,
S.
Mou
,
A. T.
Neal
,
T.
Asel
,
E. R.
Heller
,
N. S.
Hendricks
,
K.
Liddy
,
A.
Crespo
,
N. C.
Miller
,
M. T.
Lindquist
,
N.
Moser
,
R. C.
Fitch
, Jr.
,
D. E.
Walker
, Jr.
,
D. L.
Dorsey
, and
G. H.
Jessen
,
Semicond. Sci. Technol.
35
,
013002
(
2020
).
19.
Z.
Hu
,
K.
Nomoto
,
W.
Li
,
Z.
Zhang
,
N.
Tanen
,
Q.
Tu Thieu
,
K.
Sasaki
,
A.
Kuramata
,
T.
Nakamura
,
D.
Jena
, and
H. G.
Xing
,
Appl. Phys. Lett.
113
,
122103
(
2018
).
20.
W.
Li
,
K.
Nomoto
,
Z.
Hu
,
D.
Jena
, and
H. G.
Xing
,
IEEE Electron Device Lett.
41
,
107
(
2020
).
21.
R.
Sharma
,
M.
Xian
,
C.
Fares
,
M. E.
Law
,
M.
Tadjer
,
K. D.
Hobart
,
F.
Ren
, and
S. J.
Pearton
,
J. Vac. Sci. Technol., A
39
,
013406
(
2021
).
22.
W.
Li
,
D.
Saraswat
,
Y.
Long
,
K.
Nomoto
,
D.
Jena
, and
H. G.
Xing
,
Appl. Phys. Lett.
116
,
192101
(
2020
).
23.
Y.
Lv
,
Y.
Wang
,
X.
Fu
,
S.
Dun
,
Z.
Sun
,
H.
Liu
,
X.
Zhou
,
X.
Song
,
K.
Dang
,
S.
Liang
,
J.
Zhang
,
H.
Zhou
,
Z.
Feng
,
S.
Cai
, and
Y.
Hao
,
IEEE Trans. Power Electron.
36
,
6179
(
2021
).
24.
J.
Yang
,
M.
Xian
,
P.
Carey
,
C.
Fares
,
J.
Partain
,
F.
Ren
,
M.
Tadjer
,
E.
Anber
,
D.
Foley
,
A.
Lang
,
J.
Hart
,
J.
Nathaniel
,
M. L.
Taheri
,
S. J.
Pearton
, and
A.
Kuramata
,
Appl. Phys. Lett.
114
,
232106
(
2019
).
25.
Z.
Jian
,
S.
Mohanty
, and
E.
Ahmadi
,
Appl. Phys. Lett.
116
,
152104
(
2020
).
26.
J.
Yang
,
F.
Ren
,
Y.-T.
Chen
,
Y.-T.
Liao
,
C.-W.
Chang
,
J.
Lin
,
M. J.
Tadjer
,
S. J.
Pearton
, and
A.
Kuramata
,
IEEE J. Electron Devices Soc.
7
,
57
(
2019
).
27.
T.
Harada
and
A.
Tsukazaki
,
Appl. Phys. Lett.
116
,
232104
(
2020
).
28.
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
).
29.
W.
Xiong
,
X.
Zhou
,
G.
Xu
,
Q.
He
,
G.
Jian
,
C.
Chen
,
Y.
Yu
,
W.
Hao
,
X.
Xiang
,
X.
Zhao
,
W.
Mu
,
Z.
Jia
,
X.
Tao
, and
S.
Long
,
IEEE Electron Device Lett.
42
,
430
(
2021
).
30.
S. J.
Pearton
,
J.
Yang
,
P. H.
Cary
,
F.
Ren
,
J.
Kim
,
M. J.
Tadjer
, and
M. A.
Mastro
,
Appl. Phys. Rev.
5
,
011301
(
2018
).
31.
M.
Xiao
,
B.
Wang
,
J.
Liu
,
R.
Zhang
,
Z.
Zhang
,
C.
Ding
,
S.
Lu
,
K.
Sasaki
,
G.-Q.
Lu
,
C.
Buttay
, and
Y.
Zhang
,
IEEE Trans. Power Electron.
36
,
8565
(
2021
).
32.
A.
Bhattacharyya
,
S.
Sharma
,
F.
Alema
,
S.
Roy
,
C.
Peterson
,
G.
Seryogin
,
A.
Osinsky
,
U.
Singisetti
, and
K.
Sriram
,
Appl. Phys. Express
15
,
061001
(
2022
) (unpublished).
33.
S.
Nakagomi
,
K.
Hiratsuka
,
Y.
Kakuda
, and
Y.
Kokubun
,
ECS J. Solid State Sci. Technol.
6
,
Q3030
(
2017
).
34.
C.
Wang
,
H.
Gong
,
W.
Lei
,
Y.
Cai
,
Z.
Hu
,
S.
Xu
,
Z.
Liu
,
Q.
Feng
,
H.
Zhou
,
J.
Ye
,
J.
Zhang
,
R.
Zhang
, and
Y.
Hao
,
IEEE Electron Device Lett.
42
,
485
(
2021
).
35.
X.
Xia
,
J.-S.
Li
,
C.-C.
Chiang
,
T.
Jinsoo Yoo
,
F.
Ren
,
H.
Kim
, and
S. J.
Pearton
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
55
,
385105
(
2022
).
36.
Q.
Yan
,
H.
Gong
,
J.
Zhang
,
J.
Ye
,
H.
Zhou
,
Z.
Liu
,
S.
Xu
,
C.
Wang
,
Z.
Hu
,
Q.
Feng
,
J.
Ning
,
C.
Zhang
,
P.
Ma
,
R.
Zhang
, and
Y.
Hao
,
Appl. Phys. Lett.
118
,
122102
(
2021
).
37.
H. H.
Gong
,
X. H.
Chen
,
Y.
Xu
,
F.-F.
Ren
,
S. L.
Gu
, and
J. D.
Ye
,
Appl. Phys. Lett.
117
,
022104
(
2020
).
38.
H.
Gong
,
F.
Zhou
,
W.
Xu
,
X.
Yu
,
Y.
Xu
,
Y.
Yang
,
F-f
Ren
,
S.
Gu
,
Y.
Zheng
,
R.
Zhang
,
H.
Lu
, and
J.
Ye
,
IEEE Trans. Power Electron.
36
,
12213
(
2021
).
39.
H. H.
Gong
,
X. X.
Yu
,
Y.
Xu
,
X. H.
Chen
,
Y.
Kuang
,
Y. J.
Lv
,
Y.
Yang
,
F.-F.
Ren
,
Z. H.
Feng
,
S. L.
Gu
,
Y. D.
Zheng
,
R.
Zhang
, and
J. D.
Ye
,
Appl. Phys. Lett.
118
,
202102
(
2021
).
40.
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 Devices
67
,
3341
(
2020
).
41.
W.
Hao
,
Q.
He
,
K.
Zhou
,
G.
Xu
,
W.
Xiong
,
X.
Zhou
,
G.
Jian
,
C.
Chen
,
X.
Zhao
, and
S.
Long
,
Appl. Phys. Lett.
118
,
043501
(
2021
).
42.
F.
Zhou
,
H.
Gong
,
W.
Xu
,
X.
Yu
,
Y.
Xu
,
Y.
Yang
,
F.-f.
Ren
,
S.
Gu
,
Y.
Zheng
,
R.
Zhang
,
J.
Ye
, and
H.
Lu
,
IEEE Trans. Power Electron.
37
,
1223
(
2022
).
43.
T.
Lin
,
X.
Li
, and
J.
Jang
, “
High performance p-type NiOx thin-film transistor by Sn doping
,”
Appl. Phys. Lett.
108
,
233503
(
2016
).
44.
Q.
Yan
,
H.
Gong
,
H.
Zhou
,
J.
Zhang
,
J.
Ye
,
Z.
Liu
,
C.
Wang
,
X.
Zheng
,
R.
Zhang
, and
Y.
Hao
,
Appl. Phys. Lett.
120
,
092106
(
2022
).
45.
K.
Sasaki
,
M.
Higashiwaki
,
A.
Kuramata
,
T.
Masui
, and
S.
Yamakoshi
,
IEEE Electron Device Lett.
34
,
493
(
2013
).
46.
J.
Zhang
,
S.
Han
,
M.
Cui
,
X.
Xu
,
W.
Li
,
H.
Xu
,
C.
Jin
,
M.
Gu
,
L.
Chen
, and
K. H. L.
Zhang
,
ACS Appl. Electron. Mater.
2
,
456
(
2020
).
47.
See https://www.novelcrystal.co.jp/eng/2021/911/ for “
Gallium oxide vertical transistor with the world's highest breakdown voltage, press release Novel Crystal Technology
” (
2021
).
48.
J.
Yang
,
F.
Ren
,
M.
Tadjer
,
S. J.
Pearton
, and
A.
Kuramata
,
ECS J. Solid State Sci. Technol.
7
,
Q92
(
2018
).
49.
P.
Dong
,
J.
Zhang
,
Q.
Yan
,
Z.
Liu
,
P.
Ma
,
H.
Zhou
, and
Y.
Hao
,
IEEE Electron. Device Lett.
43
(
5
),
765
768
(
2022
) (unpublished).
50.
J. A.
Spencer
,
A. L.
Mock
,
A. G.
Jacobs
,
M.
Schubert
,
Y.
Zhang
, and
M. J.
Tadjer
,
Appl. Phys. Rev.
9
,
011315
(
2022
).
51.
Y.
Wang
,
H.
Gong
,
Y.
Lv
,
X.
Fu
,
S.
Dun
,
T.
Han
,
H.
Liu
,
X.
Zhou
,
S.
Liang
,
J.
Ye
,
R.
Zhang
,
A.
Bu
,
S.
Cai
, and
Z.
Feng
,
IEEE Trans. Power Electron.
37
,
3743
(
2022
).
52.
H.
Zhou
,
S.
Zeng
,
J.
Zhang
,
Z.
Liu
,
Q.
Feng
,
S.
Xu
,
J.
Zhang
, and
Y.
Hao
,
Crystals
11
,
1186
(
2021
).
53.
W.
Li
,
D.
Jena
, and
H. G.
Xing
,
J. Appl. Phys.
131
,
015702
(
2022
).
54.
S.
Mukhopadhyay
,
L. A. M.
Lyle
,
H.
Pal
,
K. K.
Das
,
L. M.
Porter
, and
B.
Sarka
,
J. Appl. Phys.
131
,
025702
(
2022
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.