浪涌与雪崩高鲁棒性氧化镓功率二极管
半导体产业网讯：由张荣教授和郑有炓院士领导的南京大学宽禁带半导体研究团队，联合美国弗吉尼亚理工大学张宇昊教授团队，首次实现兼具浪涌和雪崩高鲁棒性及快速开关能力的氧化镓(ga2o3) 双极型异质结功率二极管，可在复杂电气环境中保持出色的器件性能和可靠性。该成果以“an avalanche-and-surge robust ultrawide bandgap heterojunction for power electronics”为题，于2023年7月25日在《nature communications》上在线发表。该研究突破了传统半导体p-n同质结在正向浪涌和开关速度方面相互制约的瓶颈，并有望解决超宽禁带半导体功率器件在实际电力电子应用中的关键障碍。
反向雪崩击穿和正向浪涌鲁棒性是半导体功率器件在高电场和大电流密度等极端条件下非平衡载流子动力学的基本特征，也是所有元器件在电动汽车、轨道交通、电网和新能源等实际应用场景中承受瞬态过压(overvoltage)、过流(overcurrent)等应力冲击的先决条件。尽管国内外在氧化镓等超宽禁带功率半导体功率器件方面已取得较大进展，但由于缺乏有效的双极型掺杂，导致超宽禁带半导体功率器件无法实现所需的鲁棒性，成为阻碍其实际应用的关键瓶颈。
为了应对上述挑战，合作团队发展了p-nio/n-ga2o3双极型异质结终端扩展和高k氧化物介质场板组合的新型架构设计，首次展示了超宽禁带半导体异质结构功率器件具有出色的雪崩和浪涌鲁棒性，并从物理机制上揭示了p-nio/n-ga2o3异质结在高电场、大电流等极端条件下非平衡载流子动力学的基本特征。
首先，合作团队发展了高质量p-nio室温异质外延技术，通过p-nio双层结构设计，利用载流子梯度有效调控电场分布，并基于斜台面终端技术和batio3高k介质场板，进一步抑制边缘电场拥挤效应。通过内部电场管理优化，使得器件内部载流子的碰撞离化和雪崩倍增发生在p-nio/n-ga2o3主结部分。器件反向击穿电压呈现典型雪崩特征的正温度系数，雪崩击穿电压超过1600v，雪崩电流大于50a。这是超宽禁带半导体功率器件在瞬态过压应力条件下雪崩鲁棒性的首次展示，雪崩耐量约730mj，与碳化硅、氮化镓等宽禁带半导体商用功率二极管相当。
其次，tcad模拟仿真研究表明，p-nio/n-ga2o3异质界面呈现典型的ii型交错能带排列，有利于高效地抽取ga2o3中碰撞电离产生的空穴，并结合雪崩动态特性测试，提取出ga2o3中电子和空穴的碰撞电离系数实验值，这为发展功率器件和日盲雪崩探测器件提供了重要的物理依据。
同时，p-nio/n-ga2o3异质界面能带偏移具有很强的不对称性，使得在正向偏置条件下p-nio中少子注入过程占据主导地位，进而发生显著的电导调制效应，降低了器件的正向导通电阻和导通损耗。这使得该异质结双极型功率二极管具有承受瞬态过流应力冲击的能力，浪涌电流超过50 a。此外，基于电子束感应电流（ebic）等方法从实验上获得了p-nio和n-ga2o3中少数载流子寿命分别约为124 ns和6.2ns。这一少子寿命的强烈不对称性使得器件在15 ns内实现快速反向恢复，有效降低了器件的开关动态损耗。
综合以上结果，这项研究从器件结构和物理上首次证明ga2o3超宽禁带半导体可通过双极型异质结构实现浪涌、雪崩高鲁棒性和快速开关能力，这打破了半导体同质p-n结构中正向电流和反向恢复速度相互制约(trade-off)的传统物理理解，也为金刚石、氮化铝等同样面临双极型掺杂困难的超宽禁带半导体功率器件的发展提供全新的思路。
图1 (a-b) nio/ga2o3 p-n异质结构及雪崩过程示意图 (c) 变温i-v及uis电路测试结果 (d) 模拟电场与载流子碰撞离化率 (e) 器件正向浪涌能力 (f) 反向恢复能力
图2 (a) 安培级ga2o3基二极管导通电阻-击穿电压统计；(b) 雪崩耐量和反向雪崩击穿电压对比；正向浪涌能力与(c)浪涌电流和(d)反向恢复时间统计对比
该研究工作由南京大学、美国弗吉尼亚理工大学和澳大利亚国立大学共同完成。南京大学周峰博士、巩贺贺博士与弗吉尼亚理工大学肖明博士为共同第一作者，南京大学叶建东教授、陆海教授、张荣教授与弗吉尼亚理工大学张宇昊教授为共同通讯作者。南京大学郑有炓院士和顾书林教授在该工作中提供了重要的指导和帮助。澳大利亚国立大学hark hoe tan教授、傅岚教授、李丽博士，美国弗吉尼亚理工大学马韫伟和南京大学杨燚教授、任芳芳教授、郁鑫鑫和汪正鹏等老师和同学亦对该工作做出了贡献。此外，特别感谢南京大学邓昱教授在tem测试方面的支持以及南加州大学汪涵教授在论文写作方面的指导和帮助。
该研究工作得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金和广东省重点研发计划等项目的大力支持。值得一提的是，南京大学团队近年来在氧化镓超宽禁带半导体异质集成与功率器件方面取得多项进展 (appl. phys. lett. 117, 022104, 2020 编辑挑选亮点文章；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双极型异质集成创新技术得到国际权威半导体行业杂志《compound semiconductors》、《power electronics world》及《化合物半导体》多次专题报道和高度评价。这项技术现已被美国弗罗里达大学、德国ikz研究所、意大利帕尔马大学、西安电子科技大学、中国科学技术大学和中电科13所等国内外研究单位所广泛采用并持续跟踪研究。
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