半導體產業網訊：由張榮教授和鄭有炓院士領導的南京大學寬禁帶半導體研究團隊，聯合美國弗吉尼亞理工大學張宇昊教授團隊，首次實現兼具浪涌和雪崩高魯棒性及快速開關能力的氧化鎵(Ga2O3)?雙極型異質結功率二極管，可在復雜電氣環境中保持出色的器件性能和可靠性。該成果以“An avalanche-and-surge robust ultrawide bandgap heterojunction for power electronics”為題，于2023年7月25日在《Nature Communications》上在線發表。該研究突破了傳統半導體p-n同質結在正向浪涌和開關速度方面相互制約的瓶頸，并有望解決超寬禁帶半導體功率器件在實際電力電子應用中的關鍵障礙。

反向雪崩擊穿和正向浪涌魯棒性是半導體功率器件在高電場和大電流密度等極端條件下非平衡載流子動力學的基本特征，也是所有元器件在電動汽車、軌道交通、電網和新能源等實際應用場景中承受瞬態過壓(Overvoltage)、過流(Overcurrent)等應力沖擊的先決條件。盡管國內外在氧化鎵等超寬禁帶功率半導體功率器件方面已取得較大進展，但由于缺乏有效的雙極型摻雜，導致超寬禁帶半導體功率器件無法實現所需的魯棒性，成為阻礙其實際應用的關鍵瓶頸。

為了應對上述挑戰，合作團隊發展了p-NiO/n-Ga2O3雙極型異質結終端擴展和高k氧化物介質場板組合的新型架構設計，首次展示了超寬禁帶半導體異質結構功率器件具有出色的雪崩和浪涌魯棒性，并從物理機制上揭示了p-NiO/n-Ga2O3異質結在高電場、大電流等極端條件下非平衡載流子動力學的基本特征。

首先，合作團隊發展了高質量p-NiO室溫異質外延技術，通過p-NiO雙層結構設計，利用載流子梯度有效調控電場分布，并基于斜臺面終端技術和BaTiO3高k介質場板，進一步抑制邊緣電場擁擠效應。通過內部電場管理優化，使得器件內部載流子的碰撞離化和雪崩倍增發生在p-NiO/n-Ga2O3主結部分。器件反向擊穿電壓呈現典型雪崩特征的正溫度系數，雪崩擊穿電壓超過1600V，雪崩電流大于50A。這是超寬禁帶半導體功率器件在瞬態過壓應力條件下雪崩魯棒性的首次展示，雪崩耐量約730mJ，與碳化硅、氮化鎵等寬禁帶半導體商用功率二極管相當。

其次，TCAD模擬仿真研究表明，p-NiO/n-Ga2O3異質界面呈現典型的II型交錯能帶排列，有利于高效地抽取Ga2O3中碰撞電離產生的空穴，并結合雪崩動態特性測試，提取出Ga2O3中電子和空穴的碰撞電離系數實驗值，這為發展功率器件和日盲雪崩探測器件提供了重要的物理依據。

同時，p-NiO/n-Ga2O3異質界面能帶偏移具有很強的不對稱性，使得在正向偏置條件下p-NiO中少子注入過程占據主導地位，進而發生顯著的電導調制效應，降低了器件的正向導通電阻和導通損耗。這使得該異質結雙極型功率二極管具有承受瞬態過流應力沖擊的能力，浪涌電流超過50?A。此外，基于電子束感應電流（EBIC）等方法從實驗上獲得了p-NiO和n-Ga2O3中少數載流子壽命分別約為124?ns和6.2ns。這一少子壽命的強烈不對稱性使得器件在15 ns內實現快速反向恢復，有效降低了器件的開關動態損耗。

綜合以上結果，這項研究從器件結構和物理上首次證明Ga2O3超寬禁帶半導體可通過雙極型異質結構實現浪涌、雪崩高魯棒性和快速開關能力，這打破了半導體同質p-n結構中正向電流和反向恢復速度相互制約(trade-off)的傳統物理理解，也為金剛石、氮化鋁等同樣面臨雙極型摻雜困難的超寬禁帶半導體功率器件的發展提供全新的思路。

圖1?(a-b) NiO/Ga2O3?p-n異質結構及雪崩過程示意圖 (c) 變溫I-V及UIS電路測試結果 (d) 模擬電場與載流子碰撞離化率 (e) 器件正向浪涌能力 (f) 反向恢復能力

圖2?(a) 安培級Ga2O3基二極管導通電阻-擊穿電壓統計；(b) 雪崩耐量和反向雪崩擊穿電壓對比；正向浪涌能力與(c)浪涌電流和(d)反向恢復時間統計對比

該研究工作由南京大學、美國弗吉尼亞理工大學和澳大利亞國立大學共同完成。南京大學周峰博士、鞏賀賀博士與弗吉尼亞理工大學肖明博士為共同第一作者，南京大學葉建東教授、陸海教授、張榮教授與弗吉尼亞理工大學張宇昊教授為共同通訊作者。南京大學鄭有炓院士和顧書林教授在該工作中提供了重要的指導和幫助。澳大利亞國立大學Hark Hoe Tan教授、傅嵐教授、李麗博士，美國弗吉尼亞理工大學馬韞偉和南京大學楊燚教授、任芳芳教授、郁鑫鑫和汪正鵬等老師和同學亦對該工作做出了貢獻。此外，特別感謝南京大學鄧昱教授在TEM測試方面的支持以及南加州大學汪涵教授在論文寫作方面的指導和幫助。

該研究工作得到了科技部國家重點研發計劃、國家自然科學基金和廣東省重點研發計劃等項目的大力支持。值得一提的是，南京大學團隊近年來在氧化鎵超寬禁帶半導體異質集成與功率器件方面取得多項進展?(Appl. Phys. Lett.?117, 022104, 2020 編輯挑選亮點文章；IEEE Trans. Power Electron. 36, 12213, 2021; Appl. Phys. Lett. 119, 262103, 2021；IEEE Trans. Power Electron. 37, 1223, 2022; The 35th?ISPSD Proceeding, pp. 326-329,?2023)。其中，NiO/Ga2O3雙極型異質集成創新技術得到國際權威半導體行業雜志《Compound Semiconductors》、《Power Electronics World》及《化合物半導體》多次專題報道和高度評價。這項技術現已被美國弗羅里達大學、德國IKZ研究所、意大利帕爾馬大學、西安電子科技大學、中國科學技術大學和中電科13所等國內外研究單位所廣泛采用并持續跟蹤研究。

審核編輯：劉清