寧波材料所在超寬禁帶半導(dǎo)體材料與器件研究方面取得進(jìn)展

　　【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】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。p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體相結(jié)合的雙極型器件，具有良好的電流和電壓承載能力，是功率電子器件發(fā)展的重要方向。然而，超寬禁帶半導(dǎo)體面臨雙極型摻雜難的問題，比如氧化鎵難以實(shí)現(xiàn)p型摻雜，金剛石難以實(shí)現(xiàn)低電阻率的n型摻雜。因此，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pn結(jié)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)電力電子器件中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。然而，異質(zhì)結(jié)器件常面臨較高界面失配和缺陷密度，會(huì)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，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所硅基太陽(yáng)電池及寬禁帶半導(dǎo)體團(tuán)隊(duì)與鄭州大學(xué)、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，在前期研究基礎(chǔ)上(Appl. Phys. Lett. 2022, 120 (7), 072101；IEEE Electron Device Lett. 2022, 43 (1), 68)，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)，成功制備了擊穿電壓超過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(zhǎng)行為，在p型(100)金剛石襯底上成功外延高結(jié)晶質(zhì)量和摻雜可控的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薄膜與氧終端金剛石襯底形成無(wú)元素偏析的原子級(jí)尖銳異質(zhì)界面，具有理想的II型(交錯(cuò)型)能帶排列結(jié)構(gòu)。對(duì)比已報(bào)道的金剛石基二極管，研究團(tuán)隊(duì)制備的Diamond/ε-Ga2O3異質(zhì)結(jié)二極管不僅能夠?qū)崿F(xiàn)良好的整流特性(超過8個(gè)數(shù)量級(jí)的開關(guān)比和導(dǎo)通電阻小于300 mΩ·cm2)，而且在超過3000 V反向偏壓下無(wú)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40 MW/m2·K的界面熱導(dǎo)，受氧化鎵的低熱導(dǎo)特性影響較小，具有良好的熱管理能力。
 

　　該工作提供了一種兼具高耐壓特性和高效熱管理策略的超寬禁帶半導(dǎo)體異質(zhì)pn結(jié)功率二極管的外延與器件方案。相關(guān)成果以“Ultrawide Bandgap Diamond/ε-Ga2O3 Heterojunction pn Diodes with Breakdown Voltages over 3 kV”為題發(fā)表在Nano Letters上(原文鏈接https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c05446)。寧波材料所博士研究生章建國(guó)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)單崇新教授和楊珣副教授為該論文的共同通訊作者。該工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2022YFB3608604、2022YFA1404404)，國(guó)家自然科學(xué)基金(62204244、52394162、52027803)、中國(guó)科學(xué)院人才項(xiàng)目、浙江省自然科學(xué)基金(LQ23F040003)和寧波市甬江引才工程科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)的資助。
 

　　圖1 (a)原子分辨率STEM圖像和原子排列示意圖；(b)異質(zhì)結(jié)X射線衍射圖；(c)異質(zhì)結(jié)能帶排列圖；(d)異質(zhì)結(jié)二極管正向J-V特性；(e)異質(zhì)結(jié)二極管反向I-V特性；(f)異質(zhì)結(jié)二極管指標(biāo)對(duì)比圖