We demonstrate Schottky barrier engineering using PtOx/thin Pt Schottky contacts combined with edge termination using a high permittivity dielectric (ZrO2) field-plate for high-voltage vertical β-Ga2O3 diodes. A systematic study of baseline bare Pt/β-Ga2O3, PtOx/thin Pt/β-Ga2O3, and PtOx/β-Ga2O3 Schottky diode characteristics was performed, which revealed that the PtOx/thin Pt/β-Ga2O3 contact can combine the advantages of both PtOx and Pt, allowing better reverse blocking performance than plain metal Pt/β-Ga2O3 Schottky diodes and lower turn-on voltage than plain oxidized metal PtOx/β-Ga2O3 ones. Moreover, the thin Pt interlayer in the PtOx/thin Pt/β-Ga2O3 anode contact configuration, deposited by e-beam deposition, also provides plasma-free interface at the Schottky junction as opposed to the direct sputter deposited PtOx contacts of the PtOx/β-Ga2O3 diodes. We further implemented a high permittivity dielectric (ZrO2) field plate in PtOx/thin Pt/β-Ga2O3 diodes that assisted in edge-field management and enabled a breakdown voltage to ∼2.34 kV. These results indicate that the PtOx/thin Pt/β-Ga2O3 Schottky contact, combined with a high permittivity field-plate, will be promising to enable Schottky barrier engineering for high-performance and efficient vertical β-Ga2O3 power switches.

1.
W.
Hao
,
F.
Wu
,
W.
Li
,
G.
Xu
,
X.
Xie
,
K.
Zhou
,
W.
Guo
,
X.
Zhou
,
Q.
He
,
X.
Zhao
,
S.
Yang
, and
S.
Long
,
IEEE Trans. Electron Devices
70
(
4
),
2129
(
2023
).
2.
C.
Joishi
,
S.
Rafique
,
Z.
Xia
,
L.
Han
,
S.
Krishnamoorthy
,
Y.
Zhang
,
S.
Lodha
,
H.
Zhao
, and
S.
Rajan
,
Appl. Phys. Express
11
,
031101
(
2018
).
3.
E.
Farzana
,
F.
Alema
,
W. Y.
Ho
,
A.
Mauze
,
T.
Itoh
,
A.
Osinsky
, and
J. S.
Speck
,
Appl. Phys. Lett.
118
,
162109
(
2021
).
4.
B.
Wang
,
M.
Xiao
,
J.
Spencer
,
Y.
Qin
,
K.
Sasaki
,
M. J.
Tadjer
, and
Y.
Zhang
,
IEEE Electron Device Lett.
44
(
2
),
221
(
2023
).
5.
K.
Konishi
,
K.
Goto
,
H.
Murakami
,
Y.
Kumagai
,
A.
Kuramata
,
S.
Yamakoshi
, and
M.
Higashiwaki
,
Appl. Phys. Lett.
110
,
103506
(
2017
).
6.
Z.
Hu
,
Y.
Lv
,
C.
Zhao
,
Q.
Feng
,
Z.
Feng
,
K.
Dang
,
X.
Tian
,
Y.
Zhang
,
J.
Ning
,
H.
Zhou
,
X.
Kang
,
J.
Zhang
, and
Y.
Hao
,
IEEE Electron Device Lett.
41
(
3
),
441
(
2020
).
7.
W.
Li
,
K.
Nomoto
,
Z.
Hu
,
D.
Jena
, and
H. G.
Xing
,
IEEE Electron Device Lett.
41
,
107
(
2020
).
8.
W.
Li
,
Z.
Hu
,
K.
Nomoto
,
Z.
Zhang
,
J.
Hsu
,
Q. T.
Thieu
,
K.
Sasaki
,
A.
Kuramata
,
D.
Jena
, and
H. G.
Xing
,
Appl. Phys. Lett.
113
,
202101
(
2018
).
9.
S.
Roy
,
A.
Bhattacharyya
,
C.
Peterson
, and
S.
Krishnamoorthy
,
Appl. Phys. Lett
122
,
152101
(
2023
).
10.
S.
Roy
,
A.
Bhattacharyya
,
P.
Ranga
,
H.
Splawn
,
J.
Leach
, and
S.
Krishnamoorthy
,
IEEE Electron Device Lett.
42
,
1140
(
2021
).
11.
S.
Dhara
,
N. K.
Kalarickal
,
A.
Dheenan
,
C.
Joishi
, and
S.
Rajan
,
Appl. Phys. Lett
121
,
203501
(
2022
).
12.
Z.
Jian
,
S.
Mohanty
, and
E.
Ahmadi
,
Appl. Phys. Lett.
116
,
152104
(
2020
).
13.
J.
Yang
,
F.
Ren
,
M.
Tadjer
,
S. J.
Pearton
, and
A.
Kuramata
,
ECS J. Solid State Sci. Technol.
7
(
5
),
Q92
(
2018
).
14.
J.
Yang
,
S.
Ahn
,
F.
Ren
,
S. J.
Pearton
,
S.
Jang
, and
A.
Kuramata
,
IEEE Electron Device Lett.
38
,
906
(
2017
).
15.
P.
Carey
IV
,
J.
Yang
,
F.
Ren
,
R.
Sharma
,
M.
Law
, and
S.
Pearton
,
ECS J. Solid State Sci. Technol.
8
(
7
),
Q3221
(
2019
).
16.
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
(
9
),
1399
(
2019
).
17.
S.
Kumar
,
H.
Murakami
,
Y.
Kumagai
, and
M.
Higashiwaki
,
Appl. Phys. Express
15
,
054001
(
2022
).
18.
E.
Farzana
,
A.
Bhattacharyya
,
N. S.
Hendricks
,
T.
Itoh
,
S.
Krishnamoorthy
, and
J. S.
Speck
,
APL Mater.
10
,
111104
(
2022
).
19.
F.
Otsuka
,
H.
Miyamoto
,
A.
Takatsuka
,
S.
Kunori
,
K.
Sasaki
, and
A.
Kuramata
,
Appl. Phys. Express
15
,
016501
(
2022
).
20.
C.
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
(
9
),
1487
(
2019
).
21.
W.
Li
,
D.
Saraswat
,
Y.
Long
,
K.
Nomoto
,
D.
Jena
, and
H. G.
Xing
,
Appl. Phys. Lett.
116
,
192101
(
2020
).
22.
D.
Saraswat
,
W.
Li
,
K.
Nomoto
,
D.
Jena
, and
H. G.
Xing
, in
2020 Device Research Conference (DRC)
(
IEEE
,
2020
), p.
1
.
23.
W.
Li
,
D.
Jena
, and
H. G.
Xing
,
J. Appl. Phys.
131
,
015702
(
2022
).
24.
R.
Rupp
,
R.
Elpelt
,
R.
Gerlach
,
R.
Schömer
, and
M.
Draghici
, in
2017 29th International Symposium on Power Semiconductor Devices and IC's (ISPSD), Sapporo, Japan
(
IEEE
,
2017
), p.
355
.
25.
A. B.
Renz
,
V. A.
Shah
,
O. J.
Vavasour
,
Y.
Bonyadi
,
F.
Li
,
T.
Dai
,
G. W. C.
Baker
,
S.
Hindmarsh
,
Y.
Han
,
M.
Walker
,
Y.
Sharma
,
Y.
Liu
,
B.
Raghothamachar
,
M.
Dudley
,
P. A.
Mawby
, and
P. M.
Gammon
,
J. Appl. Phys.
127
,
025704
(
2020
).
26.
L.
Stöber
,
J. P.
Konrath
,
F.
Patocka
,
M.
Schneider
, and
U.
Schmid
,
IEEE Trans. Electron Devices
63
(
2
),
578
(
2016
).
27.
E.
Farzana
,
Z.
Zhang
,
P. K.
Paul
,
A. R.
Arehart
, and
S. A.
Ringel
,
Appl. Phys. Lett.
110
(
20
),
202102
(
2017
).
28.
Z.
Xia
,
H.
Chandrasekar
,
W.
Moore
,
C.
Wang
,
A. J.
Lee
,
J.
McGlone
,
N. K.
Kalarickal
,
A.
Arehart
,
S.
Ringel
,
F.
Yang
, and
S.
Rajan
,
Appl. Phys. Lett.
115
,
252104
(
2019
).
29.
C.
Hou
,
R. M.
Gazoni
,
R. J.
Reeves
, and
M. W.
Allen
,
IEEE Electron Device Lett.
40
(
2
),
337
(
2019
).
30.
C.
Hou
,
R. M.
Gazoni
,
R. J.
Reeves
, and
M. W.
Allen
,
Appl. Phys. Lett.
114
,
033502
(
2019
).
31.
C.
Hou
,
K. R.
York
,
R. A.
Makin
,
S. M.
Durbin
,
R. M.
Gazoni
,
R. J.
Reeves
, and
M. W.
Allen
,
Appl. Phys. Lett.
117
,
203502
(
2020
).
32.
Z. D.
Cruz
,
C.
Hou
,
R. F.
Martinez-Gazoni
,
R. J.
Reeves
, and
M. W.
Allen
,
Appl. Phys. Lett.
120
,
083503
(
2022
).
33.
G.
Jian
,
W.
Hao
,
Z.
Shi
,
Z.
Han
,
K.
Zhou
,
Q.
Liu
,
Q.
He
,
X.
Zhou
,
C.
Chen
,
Y.
Zhou
,
X.
Zhao
,
G.
Xu
, and
S.
Long
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
55
,
304003
(
2022
).
34.
R. M.
Cadena
,
D. R.
Ball
,
S.
Islam
,
A.
Senarath
,
E. X.
Zhang
,
M. W.
McCurdy
,
E.
Farzana
,
J. S.
Speck
,
N.
Karom
,
A.
O'Hara
,
B. R.
Tuttle
,
S. T.
Pantelides
,
A. F.
Witulski
,
K. F.
Galloway
,
M. L.
Alles
,
R. A.
Reed
,
D. M.
Fleetwood
, and
R. D.
Schrimpf
,
IEEE Trans. Nucl. Sci.
70
(
4
),
363
(
2023
).
35.
S.
Islam
,
A. S.
Senarath
,
A.
Sengupta
,
E. X.
Zhang
,
D. R.
Ball
,
D. M.
Fleetwood
,
R. D.
Schrimpf
,
E.
Farzana
,
A.
Bhattacharyya
,
N. S.
Hendricks
, and
J. S.
Speck
, in
2023 Device Research Conference (DRC), Santa Barbara, CA
(
IEEE
,
2023
), pp.
1
2
.
36.
Z.
Shi
,
X.
Xiang
,
H.
Zhang
,
Q.
He
,
G.
Jian
,
K.
Zhou
,
X.
Zhou
,
C.
Xing
,
G.
Xu
, and
S.
Long
,
Semicond. Sci. Technol.
37
,
065010
(
2022
).
37.
N. S.
Hendricks
,
E.
Farzana
,
A.
Islam
,
K. D.
Leedy
,
K.
Liddy
,
J.
Williams
,
D.
Dryden
,
A.
Adams
,
J. S.
Speck
,
K.
Chabak
, and
A. J.
Green
,
Appl. Phys. Express
16
,
071002
(
2023
).
38.
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
).
39.
Y.
Dora
,
S.
Han
,
D.
Klenov
,
K.
No
,
U. K.
Mishra
,
S.
Stemmer
, and
J. S.
Speck
,
J. Vac. Sci. Technol. B
24
(
2
),
575
(
2006
).
40.
T. J.
Anderson
,
V. D.
Wheeler
,
D. I.
Shahin
,
M. J.
Tadjer
,
A. D.
Koehler
,
K. D.
Hobart
,
A.
Christou
,
F. J.
Kub
, and
C. R.
Eddy
, Jr.
,
Appl. Phys. Express
9
,
071003
(
2016
).
41.
F.
Chiu
,
Z.
Lin
,
C.
Chang
,
C.
Wang
,
K.
Chuang
,
C.
Huang
,
J. Y.
Lee
, and
H.
Hwang
,
J. Appl. Phys.
97
,
034506
(
2005
).
42.
Z.
Zhang
,
E.
Farzana
,
A. R.
Arehart
, and
S. A.
Ringel
,
Appl. Phys. Lett.
108
,
052105
(
2016
).
43.
J.
Yang
,
Z.
Sparks
,
F.
Ren
,
S. J.
Pearton
, and
M.
Tadjer
,
J. Vac. Sci. Technol. B
36
,
061201
(
2018
).
You do not currently have access to this content.