半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)網(wǎng)訊：近期，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所硅基太陽電池及寬禁帶半導(dǎo)體團(tuán)隊(duì)與鄭州大學(xué)金剛石材料與器件團(tuán)隊(duì)、南京大學(xué)以及哈爾濱工業(yè)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)緊密合作，在國際權(quán)威期刊Nano Letters上，以“Ultrawide Bandgap Diamond/ε-Ga2O3 Heterojunction pn Diodes with Breakdown Voltages over 3 kV”為題報(bào)道了超寬禁帶金剛石/氧化鎵異質(zhì)集成功率器件的最新進(jìn)展。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(xué)單崇新教授和楊珣教授為該論文的共同通訊作者。

以氧化鎵（Ga2O3）和金剛石(Diamond)為代表的超寬禁帶半導(dǎo)體材料，具有禁帶寬度大、擊穿電場(chǎng)高、巴利加優(yōu)值高、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)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(yīng)用前景廣闊。然而，目前超寬禁帶半導(dǎo)體面臨著雙極型摻雜難這一問題，難以制造同質(zhì)雙極型器件以同時(shí)滿足大電流和高電壓承載的要求。因此采取異質(zhì)結(jié)策略，構(gòu)建具有良好界面和能帶匹配的p-Diamond/n-Ga2O3二極管，是實(shí)現(xiàn)高性能超寬禁帶雙極型二極管的理想組合，有利于充分發(fā)揮超寬禁帶半導(dǎo)體在先進(jìn)電力電子器件的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。目前超寬禁帶異質(zhì)結(jié)器件性能常受制于較高的界面失配和缺陷密度，進(jìn)而引起摻雜失效與耐壓性能下降，是實(shí)現(xiàn)千伏級(jí)功率器件的瓶頸問題。

針對(duì)以上問題，寧波材料所、鄭州大學(xué)、南京大學(xué)以及哈爾濱工業(yè)大學(xué)通過異質(zhì)外延界面調(diào)控和器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，成功制備擊穿電壓超3000 V的p-Diamond/n-Ga2O3異質(zhì)pn結(jié)二極管。通過協(xié)同介穩(wěn)態(tài)氧化鎵的結(jié)晶路徑和多疇生長行為，在p型（100）Diamond襯底上成功外延高結(jié)晶質(zhì)量的n型ε-Ga2O3薄膜。X射線光電子能譜和原子級(jí)結(jié)構(gòu)表征揭示異質(zhì)外延ε-Ga2O3薄膜與具有氧終端表面的Diamond形成無元素偏析的原子級(jí)尖銳界面，具有理想的Ⅱ型（交錯(cuò)型）能帶排列。通過調(diào)控金剛石和氧化鎵的摻雜濃度，團(tuán)隊(duì)所制備的Diamond/ε-Ga2O3異質(zhì)結(jié)二極管不僅具有開關(guān)比超過8個(gè)數(shù)量級(jí)的整流特性，且在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(shí)域熱反射譜（TDTR）表明該類Diamond/ε-Ga2O3異質(zhì)結(jié)二極管擁有超過42 MW/m2·K的界面熱導(dǎo)率，具有良好的熱管理能力。

圖1金剛石/氧化鎵異質(zhì)結(jié)二極管的基本結(jié)構(gòu)。

圖2金剛石/氧化鎵異質(zhì)結(jié)二極管的綜合電學(xué)性能和高界面熱導(dǎo)率。

該工作提供了一種兼?zhèn)涓吣蛪禾匦?、低?dǎo)通電阻和高效熱管理策略的超寬禁帶半導(dǎo)體異質(zhì)pn結(jié)二極管的制造方案，將進(jìn)一步推動(dòng)超寬禁帶半導(dǎo)體在功率器件領(lǐng)域的發(fā)展。研究工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2022YFB3608604、2022YFA1404404）、國家自然科學(xué)基金（62204244、52394162、52027803）、中國科學(xué)院、浙江省自然科學(xué)基金（LQ23F040003）和寧波市基金等項(xiàng)目的支持。