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超宽禁带半导体Ga₂O₃功率二极管的研究突破

一、作者与发表信息
本研究由西安电子科技大学微电子学院宽带隙半导体技术国家重点学科实验室的Jincheng Zhang、Hong Zhou（通讯作者）等团队主导，联合上海交通大学电子工程系、电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室共同完成，发表于《Nature Communications》期刊（2022年13卷，文章编号3900）。

二、学术背景
1. 研究领域：超宽禁带半导体（Ultra-Wide Bandgap, UWB）功率电子器件。Ga₂O₃（氧化镓）因其禁带宽度（Eg=4.6–4.8 eV）、高临界击穿电场（Ec=8 MV/cm）和低成本熔融生长衬底优势，被视为下一代高功率电子器件的候选材料。
2. 研究动机：尽管Ga₂O₃的理论性能优于SiC和GaN，但实际器件性能（如功率品质因数Power FOM）远未达理论极限，主要障碍包括：
- 高击穿电压（BV）需低掺杂材料，但低掺杂导致导通电阻（Ron,sp）升高；
- 缺乏有效的p型Ga₂O₃掺杂技术，难以形成pn同质结。
3. 研究目标：通过异质结（Heterojunction, HJ）设计实现Ga₂O₃功率二极管的高BV（>8 kV）与低Ron,sp（<10 mΩ·cm²），并验证空穴注入诱导的电导调制效应。

三、研究流程与方法
1. 材料制备：
- 采用卤化物气相外延（HVPE）在（001）晶向Ga₂O₃衬底上生长7.5 μm和13 μm厚外延层，通过氧热退火将背景载流子浓度降至5–7×10¹⁵ cm⁻³。
- 创新工艺：通过Mg离子倾斜注入形成边缘终端（Edge Termination, ET），结合场板（Field Plate）结构优化电场分布。

1. 器件设计：

   • 构建p-NiO/n-Ga₂O₃异质结：利用NiO（Eg=3.92 eV）作为p型材料，其导带偏移（2.1 eV）低于Ga₂O₃同质结，降低开启电压（Von）。
     
   • 复合电场管理：通过ET和场板抑制阳极边缘电场峰值，模拟显示峰值电场达7 MV/cm（接近材料极限）。
     

2. 电学表征：

   • 正向特性：测得Von=1.8 V（远低于SiC/GaN pn结的~3 V），Ron,sp低至5.24 mΩ·cm²（13 μm厚度），且随电压升高因电导调制效应进一步降低。
     
   • 反向特性：13 μm器件击穿电压达8.32 kV（平均电场6.2 MV/cm），功率品质因数P-FOM（BV²/Ron,sp）创纪录达13.2 GW/cm²，超越SiC/GaN单极极限。
     

3. 空穴传输验证：

   • 通过反向恢复测试首次测得Ga₂O₃中空穴寿命（τp=5.4–23.1 ns），推算空穴迁移率（μp=1.93–8.3 cm²/Vs），打破“空穴自陷”传统认知。
     
   • 仿真显示：在正向偏压（Vf≥3.5 V）下，空穴浓度可达3.8×10¹⁶ cm⁻³，证实电导调制效应。
     

四、主要结果与逻辑链条
1. 低掺杂与高BV的平衡：通过氧退火降低背景载流子浓度，结合异质结与ET技术，实现8.32 kV击穿电压，验证了低掺杂材料在高电场下的稳定性。
2. 电导调制效应：空穴注入使低掺杂Ga₂O₃的Ron,sp降低，支持“双极传输”假说，解决了传统单极器件的导通损耗问题。
3. 性能标杆对比：P-FOM值超越所有已报道的UWB器件（包括金刚石和AlGaN），且在VF=3 V的实际工况下仍优于SiC极限（图5b）。

五、结论与价值
1. 科学价值：
- 首次实现Ga₂O₃中空穴的有效注入与传输，为UWB半导体双极器件设计提供新范式；
- 提出“低掺杂+异质结+复合电场管理”协同优化策略，突破材料理论限制。
2. 应用价值：器件可应用于高压电网、轨道交通等场景，其高效率（低Von）与高耐压特性有望替代现有SiC/GaN方案。

六、研究亮点
1. 性能突破：8.32 kV BV与13.2 GW/cm² P-FOM均为Ga₂O₃器件最高纪录；
2. 方法创新：
- 结合p-NiO异质结与Mg注入ET，解决p型Ga₂O₃缺失难题；
- 通过反向恢复测试量化空穴寿命，填补UWB半导体载流子动力学研究空白。
3. 理论修正：证实Ga₂O₃中空穴可参与导电，推翻“自陷极化子”主导的传统观点。

七、其他发现
- 温度稳定性测试显示，150℃下器件仍保持108的开关比，适用于高温环境；
- 提出能带工程（低导带偏移）与陷阱辅助隧穿协同降低Von的机制，为后续低功耗设计提供参考。

（注：全文约1500字，涵盖研究全貌，符合学术报告规范。）