近期，西安電子科技大學(xué)郝躍院士團隊張進成教授、周弘教授等在超寬禁帶半導(dǎo)體氧化鎵功率器件研究方面取得重要進展，研制出一種新型的空穴超注入p-NiO/n-Ga2O3半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)二極管。該結(jié)構(gòu)通過異質(zhì)結(jié)空穴超注入效應(yīng)，實現(xiàn)了兼具超高耐壓和極低導(dǎo)通電阻的氧化鎵功率二極管，功率優(yōu)值高達(dá)13.2GW/cm2，是截止目前氧化鎵半導(dǎo)體器件的最高值。相關(guān)成果以《Ultra-widebandgapsemiconductorGa2O3powerdiodes》為題發(fā)表于國際期刊《自然·通訊》（NatureCommunications）。

氧化鎵（β-Ga2O3）是超寬禁帶半導(dǎo)體的典型代表，禁帶寬度高達(dá)（~4.8eV），臨界擊穿場強高達(dá)（~8MV/cm），是研制高耐壓、大功率和高效節(jié)能半導(dǎo)體器件的理想半導(dǎo)體材料之一，可實現(xiàn)高擊穿、低功耗和低成本器件芯片三重優(yōu)勢，在電力傳輸轉(zhuǎn)換、電動汽車、高鐵等領(lǐng)域具有重大應(yīng)用前景。與當(dāng)前產(chǎn)業(yè)界火熱的第三代半導(dǎo)體GaN和SiC相比，Ga2O3功率器件在相同耐壓情況下具有更低的導(dǎo)通電阻，應(yīng)用于電能轉(zhuǎn)換領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)更低的功耗和更高的轉(zhuǎn)換效率。因此，近年來，氧化鎵半導(dǎo)體已成為半導(dǎo)體國際研究熱點和大國技術(shù)競爭制高點。

2018年以來，在郝躍院士領(lǐng)導(dǎo)下，西安電子科技大學(xué)通過自主氧化鎵生長MOCVD設(shè)備、高質(zhì)量氧化鎵外延材料、高壓器件新結(jié)構(gòu)與新工藝等一系列技術(shù)創(chuàng)新，實現(xiàn)了氧化鎵功率二極管和功率晶體管性能的高速提升，如圖1和2，取得了多項里程碑成果，使我國氧化鎵功率器件研究水平進入國際前列。

圖1 西安電子科技大學(xué)氧化鎵功率二極管研究進展

圖2 西安電子科技大學(xué)氧化鎵功率晶體管研究進展

由于p型摻雜困難，空穴遷移率低，氧化鎵功率器件中載流子雙極輸運及其電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)始終沒有實現(xiàn)，這是制約氧化鎵功率器件性能進一步提升的關(guān)鍵瓶頸。為此，本文構(gòu)筑了一種新型p-NiO/n-Ga2O3異質(zhì)型PN結(jié)二極管結(jié)構(gòu)，如圖3(a)。一方面，通過將PN異質(zhì)結(jié)、鎂注入終端、高k/低k泊松終端場板等相復(fù)合，利用高溫?zé)嵬嘶鹨种品枪室鈸诫s，使器件峰值電場強度得到極大的削弱，如圖3(b)；為高耐壓氧化鎵器件發(fā)展開拓了新技術(shù)途徑，實現(xiàn)了8.3kV的超高耐壓，如圖3(c)。另一方面，得益于低導(dǎo)帶帶階PN異質(zhì)結(jié)的設(shè)計，超寬禁帶PN異質(zhì)結(jié)功率二極管實現(xiàn)了較低的開啟，正向偏置時，空穴勢壘降低，p區(qū)空穴躍過PN異質(zhì)結(jié)進入n區(qū)，當(dāng)空穴濃度高于電子濃度后，誘導(dǎo)電子濃度上升，從而顯著降低了器件導(dǎo)通電阻，如圖3(d)所示，隨著正向電壓的增加微分電阻持續(xù)降低，在氧化鎵器件中實現(xiàn)了空穴超注入效應(yīng)。研制的氧化鎵功率二極管擁有超高耐壓和極低電阻，功率優(yōu)值P-FOM高達(dá)13.2GW/cm2，是截止目前氧化鎵半導(dǎo)體器件的最高值。

圖3 (a)器件三維結(jié)構(gòu)示意圖，(b)不通器件結(jié)構(gòu)在8.3kV耐壓時仿真所得電場圖，(c)器件擊穿圖，(d)器件正向?qū)▓D，(e)超寬禁帶半導(dǎo)體功率器件導(dǎo)通電阻-耐壓對比圖。