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仪表网 研发快讯】以氧化镓(Ga2O3)和金刚石(Diamond)为代表的超宽禁带半导体材料，具有禁带宽度大、击穿电场高、巴利加优值高、抗辐射能力强等优异性能，可以更好地满足功率电子器件在高功率、高温、高频以及高辐射等极端工况的使用需求，应用前景广阔。p型半导体和n型半导体相结合的双极型器件，具有良好的电流和电压承载能力，是功率电子器件发展的重要方向。然而，超宽禁带半导体面临双极型掺杂难的问题，比如氧化镓难以实现p型掺杂，金刚石难以实现低电阻率的n型掺杂。因此，构建具有良好界面和能带匹配的p-Diamond/n-Ga2O3二极管，是实现高性能超宽禁带pn结二极管的理想组合，有利于充分发挥超宽禁带半导体在先进电力电子器件中的应用优势。然而，异质结器件常面临较高界面失配和缺陷密度，会引起掺杂失效与耐压性能下降，是实现千伏级功率器件的瓶颈问题。
针对以上问题，中国科学院宁波材料技术与工程研究所硅基太阳电池及宽禁带半导体团队与郑州大学、南京大学以及哈尔滨工业大学的研究团队紧密合作，在前期研究基础上(Appl. Phys. Lett. 2022, 120 (7), 072101；IEEE Electron Device Lett. 2022, 43 (1), 68)，通过异质外延界面调控和器件结构优化设计，成功制备了击穿电压超过3000 V的p-Diamond/n-Ga2O3异质pn结二极管。通过协同介稳态氧化镓的结晶路径和多畴生长行为，在p型(100)金刚石衬底上成功外延高结晶质量和掺杂可控的n型ε-Ga2O3薄膜。X射线光电子能谱和原子级结构表征揭示异质外延ε-Ga2O3薄膜与氧终端金刚石衬底形成无元素偏析的原子级尖锐异质界面，具有理想的II型(交错型)能带排列结构。对比已报道的金刚石基二极管，研究团队制备的Diamond/ε-Ga2O3异质结二极管不仅能够实现良好的整流特性(超过8个数量级的开关比和导通电阻小于300 mΩ·cm2)，而且在超过3000 V反向偏压下无明显漏电流，模拟仿真的击穿电压超过5000 V。此外，时域热反射谱(TDTR)表明该类Diamond/ε-Ga2O3异质结二极管拥有超过40 MW/m2·K的界面热导，受氧化镓的低热导特性影响较小，具有良好的热管理能力。
该工作提供了一种兼具高耐压特性和高效热管理策略的超宽禁带半导体异质pn结功率二极管的外延与器件方案。相关成果以“Ultrawide Bandgap Diamond/ε-Ga2O3 Heterojunction pn Diodes with Breakdown Voltages over 3 kV”为题发表在Nano Letters上(原文链接https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c05446)。宁波材料所博士研究生章建国为该论文的第一作者，宁波材料所叶继春研究员和张文瑞研究员、郑州大学单崇新教授和杨珣副教授为该论文的共同通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划(2022YFB3608604、2022YFA1404404)，国家自然科学基金(62204244、52394162、52027803)、中国科学院人才项目、浙江省自然科学基金(LQ23F040003)和宁波市甬江引才工程科技创新团队的资助。
图1 (a)原子分辨率STEM图像和原子排列示意图；(b)异质结X射线衍射图；(c)异质结能带排列图；(d)异质结二极管正向J-V特性；(e)异质结二极管反向I-V特性；(f)异质结二极管指标对比图
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