Edge termination is the enabling building block of power devices to exploit the high breakdown field of wide bandgap (WBG) and ultra-wide bandgap (UWBG) semiconductors. This work presents a heterogeneous junction termination extension (JTE) based on p-type nickel oxide (NiO) for gallium oxide (Ga2O3) devices. Distinct from prior JTEs usually made by implantation or etch, this NiO JTE is deposited on the surface of Ga2O3 by magnetron sputtering. The JTE consists of multiple NiO layers with various lengths to allow for a graded decrease in effective charge density away from the device active region. Moreover, this surface JTE has broad design window and process latitude, and its efficiency is drift-layer agnostic. The physics of this NiO JTE is validated by experimental applications into NiO/Ga2O3 p–n diodes fabricated on two Ga2O3 wafers with different doping concentrations. The JTE enables a breakdown voltage over 3.2 kV and a consistent parallel-plate junction field of 4.2 MV/cm in both devices, rendering a power figure of merit of 2.5–2.7 GW/cm2. These results show the great promise of the deposited JTE as a flexible, near ideal edge termination for WBG and UWBG devices, particularly those lacking high-quality homojunctions.

1.
Y.
Zhang
,
F.
Udrea
, and
H.
Wang
,
Nat. Electron.
5
,
723
(
2022
).
2.
S. J.
Pearton
,
J.
Yang
,
P. H.
Cary
IV
,
F.
Ren
,
J.
Kim
,
M. J.
Tadjer
, and
M. A.
Mastro
,
Appl. Phys. Rev.
5
,
011301
(
2018
).
3.
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
).
4.
J.
Zhang
,
P.
Dong
,
K.
Dang
,
Y.
Zhang
,
Q.
Yan
,
H.
Xiang
,
J.
Su
,
Z.
Liu
,
M.
Si
, and
J.
Gao
,
Nat. Commun.
13
(
1
),
3900
(
2022
).
5.
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
).
6.
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
).
7.
B.
Wang
,
M.
Xiao
,
J.
Knoll
,
C.
Buttay
,
K.
Sasaki
,
G.-Q.
Lu
,
C.
Dimarino
, and
Y.
Zhang
,
IEEE Electron Device Lett.
42
,
1132
(
2021
).
8.
F.
Zhou
,
H.
Gong
,
W.
Xu
,
X.
Yu
,
Y.
Xu
,
Y.
Yang
,
F.
Ren
,
S.
Gu
,
Y.
Zheng
,
R.
Zhang
,
J.
Ye
, and
H.
Lu
,
IEEE Trans. Power Electron.
37
,
1223
(
2022
).
9.
H.
Gong
,
F.
Zhou
,
X.
Yu
,
W.
Xu
,
F.-F.
Ren
,
S.
Gu
,
H.
Lu
,
J.
Ye
, and
R.
Zhang
,
IEEE Electron Device Lett.
43
,
773
(
2022
).
10.
M.
Xiao
,
Y.
Ma
,
K.
Liu
,
K.
Cheng
, and
Y.
Zhang
,
IEEE Electron Device Lett.
42
,
808
(
2021
).
11.
A. V.
Bolotnikov
,
P. G.
Muzykov
,
Q.
Zhang
,
A. K.
Agarwal
, and
T. S.
Sudarshan
,
IEEE Trans. Electron Devices
57
,
1930
(
2010
).
12.
J.
Liu
,
M.
Xiao
,
R.
Zhang
,
S.
Pidaparthi
,
C.
Drowley
,
L.
Baubutr
,
A.
Edwards
,
H.
Cui
,
C.
Coles
, and
Y.
Zhang
,
IEEE Electron Device Lett.
41
,
1328
(
2020
).
13.
J. A.
Spencer
,
A. L.
Mock
,
A. G.
Jacobs
,
M.
Schubert
,
Y.
Zhang
, and
M. J.
Tadjer
,
Appl. Phys. Rev.
9
,
011315
(
2022
).
14.
K.
Konishi
,
K.
Goto
,
H.
Murakami
,
Y.
Kumagai
,
A.
Kuramata
,
S.
Yamakoshi
, and
M.
Higashiwaki
,
Appl. Phys. Lett.
110
,
103506
(
2017
).
15.
N.
Allen
,
M.
Xiao
,
X.
Yan
,
K.
Sasaki
,
M. J.
Tadjer
,
J.
Ma
,
R.
Zhang
,
H.
Wang
, and
Y.
Zhang
,
IEEE Electron Device Lett.
40
,
1399
(
2019
).
16.
S.
Roy
,
A.
Bhattacharyya
,
P.
Ranga
,
H.
Splawn
,
J.
Leach
, and
S.
Krishnamoorthy
,
IEEE Electron Device Lett.
42
,
1140
(
2021
).
17.
Y.
Zhang
,
J.
Zhang
,
Z.
Feng
,
Z.
Hu
,
J.
Chen
,
K.
Dang
,
Q.
Yan
,
P.
Dong
,
H.
Zhou
, and
Y.
Hao
,
IEEE Trans. Electron Devices
67
,
3948
(
2020
).
18.
P.
Dong
,
J.
Zhang
,
Q.
Yan
,
Z.
Liu
,
P.
Ma
,
H.
Zhou
, and
Y.
Hao
,
IEEE Electron Device Lett.
43
,
765
(
2022
).
19.
S.
Dhara
,
N. K.
Kalarickal
,
A.
Dheenan
,
C.
Joishi
, and
S.
Rajan
,
Appl. Phys. Lett.
121
,
203501
(
2022
).
20.
W.
Li
,
K.
Nomoto
,
Z.
Hu
,
D.
Jena
, and
H. G.
Xing
,
IEEE Electron Device Lett.
41
,
107
(
2020
).
21.
D. C.
Sheridan
,
G.
Niu
,
J. N.
Merrett
,
J. D.
Cressler
,
J. B.
Dufrene
,
J. B.
Casady
, and
I.
Sankin
, in
Proceedings of 13st International Symposium on Power Semiconductor Devices & IC's (ISPSD)
(
IEEE
,
2001
), pp.
25
28
.
22.
J.
Liu
,
R.
Zhang
,
M.
Xiao
,
S.
Pidaparthi
,
H.
Cui
,
A.
Edwards
,
L.
Baubutr
,
C.
Drowley
, and
Y.
Zhang
,
IEEE Trans. Power Electron.
36
,
10959
(
2021
).
23.
N.
Kaneko
,
O.
Machida
,
M.
Yanagihara
,
S.
Iwakami
,
R.
Baba
,
H.
Goto
, and
A.
Iwabuchi
, in
Proceedings of 21st International Symposium on Power Semiconductor Devices & IC's (ISPSD)
(
IEEE
,
2009
), pp.
191
194
.
24.
L.
Li
,
X.
Wang
,
Y.
Liu
, and
J.-P.
Ao
,
J. Vac. Sci. Technol. A
34
,
02D104
(
2016
).
25.
Y.
Ma
,
M.
Xiao
,
Z.
Du
,
X.
Yan
,
K.
Cheng
,
M.
Clavel
,
M. K.
Hudait
,
I.
Kravchenko
,
H.
Wang
, and
Y.
Zhang
,
Appl. Phys. Lett.
117
,
143506
(
2020
).
26.
M.
Xiao
,
Y.
Ma
,
Z.
Du
,
Y.
Qin
,
K.
Liu
,
K.
Cheng
,
F.
Udrea
,
A.
Xie
,
E.
Beam
,
B.
Wang
,
J.
Spencer
,
M.
Tadjer
,
T.
Anderson
,
H.
Wang
, and
Y.
Zhang
, in
2022 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM)
(
IEEE
,
2022
), pp.
35.6.1
35.6.4
.
27.
Y.
Kokubun
,
S.
Kubo
, and
S.
Nakagomi
,
Appl. Phys. Express
9
,
091101
(
2016
).
28.
H.
Gong
,
X.
Chen
,
Y.
Xu
,
F.-F.
Ren
,
S.
Gu
, and
J.
Ye
,
Appl. Phys. Lett.
117
,
022104
(
2020
).
29.
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
).
30.
Y.
Wang
,
H.
Gong
,
Y.
Lv
,
X.
Fu
,
S.
Dun
,
T.
Han
,
H.
Liu
,
X.
Zhou
,
S.
Liang
, and
J.
Ye
,
IEEE Trans. Power Electron.
37
,
3743
(
2022
).
31.
J.-S.
Li
,
C.-C.
Chiang
,
X.
Xia
,
T. J.
Yoo
,
F.
Ren
,
H.
Kim
, and
S.
Pearton
,
Appl. Phys. Lett.
121
,
042105
(
2022
).
32.
W.
Sung
,
E.
van Brunt
,
B. J.
Baliga
, and
A. Q.
Huang
,
IEEE Electron Device Lett.
32
,
880
(
2011
).
33.
D. C.
Sheridan
,
G.
Niu
, and
J. D.
Cressler
,
Solid State Electron.
45
,
1659
(
2001
).
34.
G.
Feng
,
J.
Suda
, and
T.
Kimoto
,
IEEE Trans. Electron Devices
59
,
414
(
2012
).
35.
R.
Ghandi
,
B.
Buono
,
M.
Domeij
,
G.
Malm
,
C.-M.
Zetterling
, and
M.
Ostling
,
IEEE Electron Device Lett.
30
,
1170
(
2009
).
36.
W.
Li
,
D.
Saraswat
,
Y.
Long
,
K.
Nomoto
,
D.
Jena
, and
H. G.
Xing
,
Appl. Phys. Lett.
116
,
192101
(
2020
).
37.
W.
Li
,
K.
Nomoto
,
D.
Jena
, and
H. G.
Xing
,
Appl. Phys. Lett.
117
,
222104
(
2020
).
38.
B.
Wang
,
M.
Xiao
,
J.
Spencer
,
Y.
Qin
,
K.
Sasaki
,
M. J.
Tadjer
, and
Y.
Zhang
,
IEEE Electron Device Lett.
44
,
221
(
2023
).
39.
M.
Xiao
,
Y.
Ma
,
K.
Cheng
,
K.
Liu
,
A.
Xie
,
E.
Beam
,
Y.
Cao
, and
Y.
Zhang
,
IEEE Electron Device Lett.
41
,
1177
(
2020
).
40.
S.
Nandy
,
B.
Saha
,
M. K.
Mitra
, and
K. K.
Chattopadhyay
,
J. Mater. Sci.
42
,
5766
(
2007
).
41.
Z.
Hu
,
H.
Zhou
,
Q.
Feng
,
J.
Zhang
,
C.
Zhang
,
K.
Dang
,
Y.
Cai
,
Z.
Feng
,
Y.
Gao
,
X.
Kang
, and
Y.
Hao
,
IEEE Electron Device Lett.
39
,
1564
(
2018
).
42.
H.
Gong
,
Z.
Wang
,
X.
Yu
,
F.
Ren
,
Y.
Yang
,
Y.
Lv
,
Z.
Feng
,
S.
Gu
,
R.
Zhang
, and
Y.
Zheng
,
IEEE J. Electron Devices Soc.
9
,
1166
(
2021
).
43.
H.
Gong
,
F.
Zhou
,
W.
Xu
,
X.
Yu
,
Y.
Xu
,
Y.
Yang
,
F.
Ren
,
S.
Gu
,
Y.
Zheng
,
R.
Zhang
,
H.
Lu
, and
J.
Ye
,
IEEE Trans. Power Electron.
36
,
12213
(
2021
).
44.
W.
Hao
,
Q.
He
,
X.
Zhou
,
X.
Zhao
,
G.
Xu
, and
S.
Long
, in
Proceedings of IEEE 34th International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs (ISPSD)
(
IEEE
,
2022
), pp.
105
108
.
45.
H.
Gong
,
X.
Yu
,
Y.
Xu
,
X.
Chen
,
Y.
Kuang
,
Y.
Lv
,
Y.
Yang
,
F.
Ren
,
Z.
Feng
,
S.
Gu
,
Y.
Zheng
,
R.
Zhang
, and
J.
Ye
,
Appl. Phys. Lett.
118
,
202102
(
2021
).
46.
Q.
Yan
,
H.
Gong
,
J.
Zhang
,
J.
Ye
,
H.
Zhou
,
Z.
Liu
,
S.
Xu
,
C.
Wang
,
Z.
Hu
, and
Q.
Feng
,
Appl. Phys. Lett.
118
,
122102
(
2021
).
47.
Y.
Lv
,
Y.
Wang
,
X.
Fu
,
S.
Dun
,
Z.
Sun
,
H.
Liu
,
X.
Zhou
,
X.
Song
,
K.
Dang
, and
S.
Liang
,
IEEE Trans. Power Electron.
36
,
6179
(
2021
).
48.
C.-H.
Lin
,
Y.
Yuda
,
M. H.
Wong
,
M.
Sato
,
N.
Takekawa
,
K.
Konishi
,
T.
Watahiki
,
M.
Yamamuka
,
H.
Murakami
, and
Y.
Kumagai
,
IEEE Electron Device Lett.
40
,
1487
(
2019
).
49.
Q.
He
,
X.
Zhou
,
Q.
Li
,
W.
Hao
,
Q.
Liu
,
Z.
Han
,
K.
Zhou
,
C.
Chen
,
J.
Peng
, and
G.
Xu
,
IEEE Electron Device Lett.
43
,
1933
(
2022
).
50.
J.
Yang
,
F.
Ren
,
M.
Tadjer
,
S.
Pearton
, and
A.
Kuramata
,
ECS J. Solid State Sci. Technol.
7
,
Q92
(
2018
).
You do not currently have access to this content.