【儀表網 研發快訊】以氧化鎵(Ga2O3)和金剛石(Diamond)為代表的超寬禁帶半導體材料，具有禁帶寬度大、擊穿電場高、巴利加優值高、抗輻射能力強等優異性能，可以更好地滿足功率電子器件在高功率、高溫、高頻以及高輻射等極端工況的使用需求，應用前景廣闊。p型半導體和n型半導體相結合的雙極型器件，具有良好的電流和電壓承載能力，是功率電子器件發展的重要方向。然而，超寬禁帶半導體面臨雙極型摻雜難的問題，比如氧化鎵難以實現p型摻雜，金剛石難以實現低電阻率的n型摻雜。因此，構建具有良好界面和能帶匹配的p-Diamond/n-Ga2O3二極管，是實現高性能超寬禁帶pn結二極管的理想組合，有利于充分發揮超寬禁帶半導體在先進電力電子器件中的應用優勢。然而，異質結器件常面臨較高界面失配和缺陷密度，會引起摻雜失效與耐壓性能下降，是實現千伏級功率器件的瓶頸問題。
針對以上問題，中國科學院寧波材料技術與工程研究所硅基太陽電池及寬禁帶半導體團隊與鄭州大學、南京大學以及哈爾濱工業大學的研究團隊緊密合作，在前期研究基礎上(Appl. Phys. Lett. 2022, 120 (7), 072101；IEEE Electron Device Lett. 2022, 43 (1), 68)，通過異質外延界面調控和器件結構優化設計，成功制備了擊穿電壓超過3000 V的p-Diamond/n-Ga2O3異質pn結二極管。通過協同介穩態氧化鎵的結晶路徑和多疇生長行為，在p型(100)金剛石襯底上成功外延高結晶質量和摻雜可控的n型ε-Ga2O3薄膜。X射線光電子能譜和原子級結構表征揭示異質外延ε-Ga2O3薄膜與氧終端金剛石襯底形成無元素偏析的原子級尖銳異質界面，具有理想的II型(交錯型)能帶排列結構。對比已報道的金剛石基二極管，研究團隊制備的Diamond/ε-Ga2O3異質結二極管不僅能夠實現良好的整流特性(超過8個數量級的開關比和導通電阻小于300 mΩ·cm2)，而且在超過3000 V反向偏壓下無明顯漏電流，模擬仿真的擊穿電壓超過5000 V。此外，時域熱反射譜(TDTR)表明該類Diamond/ε-Ga2O3異質結二極管擁有超過40 MW/m2·K的界面熱導，受氧化鎵的低熱導特性影響較小，具有良好的熱管理能力。
該工作提供了一種兼具高耐壓特性和高效熱管理策略的超寬禁帶半導體異質pn結功率二極管的外延與器件方案。相關成果以“Ultrawide Bandgap Diamond/ε-Ga2O3 Heterojunction pn Diodes with Breakdown Voltages over 3 kV”為題發表在Nano Letters上(原文鏈接https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c05446)。寧波材料所博士研究生章建國為該論文的第一作者，寧波材料所葉繼春研究員和張文瑞研究員、鄭州大學單崇新教授和楊珣副教授為該論文的共同通訊作者。該工作得到了國家重點研發計劃(2022YFB3608604、2022YFA1404404)，國家自然科學基金(62204244、52394162、52027803)、中國科學院人才項目、浙江省自然科學基金(LQ23F040003)和寧波市甬江引才工程科技創新團隊的資助。
圖1 (a)原子分辨率STEM圖像和原子排列示意圖；(b)異質結X射線衍射圖；(c)異質結能帶排列圖；(d)異質結二極管正向J-V特性；(e)異質結二極管反向I-V特性；(f)異質結二極管指標對比圖
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