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【会员论文】厦门大学杨伟锋教授团队---首次演示具有高击穿电压和低泄漏电流的CuCrO₂/β-Ga₂O₃ p-n 异质结二极管

日期：2025-07-03阅读：47

由厦门大学的研究团队在学术期刊 IEEE Transactions on Electron Devices 发布了一篇名为 First Demonstration of CuCrO₂/β-Ga₂O₃ p-n Heterojunction Diode With High Breakdown Voltage and Low Leakage Current（首次演示具有高击穿电压和低泄漏电流的 CuCrO₂/β-Ga₂O₃ p-n 异质结二极管）的文章。

项目支持

本研究部分由国家自然科学基金委员会（项目编号：62171396）和深圳市科技计划项目（项目编号：JCYJ20240813145617023）资助。

背景

β-氧化镓（β-Ga₂O₃）是制造下一代高压功率器件的理想材料，但其发展的一个主要瓶颈是缺乏稳定、高效的 p 型掺杂。为了构建 p-n 结，一个主流的替代方案是采用异质结结构，即将 n 型的 Ga₂O₃ 与其他 p 型半导体材料结合。目前，最常用的 p 型材料是氧化镍（NiO）。然而，NiO 基异质结存在一些问题，如 NiO 本身的电阻率相对较高，且与 Ga₂O₃ 的价带带阶不够理想，这限制了空穴的注入效率，从而影响了器件的导通性能。因此，寻找具有更优异特性的新型 p 型氧化物半导体来与 Ga₂O₃ 匹配，是推动 Ga₂O₃ 功率器件发展的关键。铬酸铜（CuCrO₂）是一种具有铜铁矿结构的 p 型透明导电氧化物，理论上它具有比 NiO 更高的空穴迁移率和更小的价带带阶，使其成为与 Ga₂O₃ 构建高性能异质结的一个极具吸引力的候选材料。

主要内容

研究团队首次成功制备了高性能的 CuCrO₂/β-Ga₂O₃ p-n 异质结二极管（HJD），其具有高击穿电压和低泄漏电流特性。无需任何复合终端结构，CuCrO₂/β-Ga₂O₃ HJD 实现了 1.46 kV 的高击穿电压和 10 μA/cm² 的低漏电流，与传统 β-Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管（SBD）相比，性能提升了近四倍。同时，HJD 展现出 1.62 V 的导通电压和相对较低的比导通电阻 5.36 mΩ·cm²，从而获得 0.4 GW/cm² 的功率性能指标（PFOM）。温度依赖性电流密度-电压（J-V）测量结果表明，HJD 具有良好的热可靠性，且在较高温度下载流子传输逐渐由界面复合主导。此外，通过 X 射线光电子能谱（XPS）表征确定，CuCrO₂/β-Ga₂O₃ 异质结呈现 II 型能带对齐，价带偏移为 2.22 eV，导带偏移为 0.45 eV。技术计算机辅助设计（TCAD）模拟表明，由于 p-CuCrO₂ 层的完全耗尽，耗尽区主要延伸至 Ga₂O₃ 外延区，这有助于实现更均匀的电场分布和更高的击穿电压。显然，这些结果表明，通过引入 p-CuCrO₂ 层形成异质结是实现高性能并提升 β-Ga₂O₃ 双极功率二极管制造工艺的可行且有效方法。

创新点

● 首次成功地将新型 p 型材料 CuCrO₂ 与 β-Ga₂O₃ 结合，制造出高性能的 p-n 异质结二极管。

● 实验证明了 CuCrO₂是一种优异的 p 型接触材料，在 Ga₂O₃ 功率器件中表现出良好的应用前景。

● 在新型异质结二极管中实现了高击穿电压和低泄漏电流的优异组合。

结论

通过射频磁控溅射工艺沉积高空穴浓度的 40 nm p 型 CuCrO₂ 层，已成功制备出垂直 CuCrO₂/β-Ga2O3 p-n HJD，其击穿电压（V_br）高达 1455 V。与同尺寸的 SBD 相比，R_on,sp仅略微增加至 5.36 mΩ·cm²，从而实现了 0.4 GW/cm² 的高 PFOM。此外，J–V 特性的温度依赖性表明，HJD 具有良好的热稳定性，且在正向导通时界面复合机制得到增强。在 CuCrO₂/β-Ga₂O₃ 异质结中呈现 II 型能带对齐，价带偏移为 2.22 eV，导带偏移为 0.45 eV，这有利于未来光学和电子器件的设计。HJD 的高击穿电压主要归因于耗尽区延伸至 β- Ga₂O₃ 外延层，这有助于实现更均匀的电场分布和更高的击穿电压。本研究基于 β-Ga₂O₃ 双极器件提供了理想的设计策略，以提升所有基于 β- Ga₂O₃ 的 pn 二极管性能。未来通过采用场板或其他终端技术，有望实现更高的击穿电压（V_br）。

图1. (a) 传统SBD（左）与 CuCrO₂/β-Ga₂O₃ p-n HJD（右）的截面示意图，以及(b) CuCrO₂/β-Ga₂O₃ 界面对应的高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像。(c) 溅射 CuCrO₂ 薄膜的X射线衍射（XRD）图谱及原子力显微镜（AFM）扫描图（插图）。(d) CuCrO₂/β-Ga₂O₃ 界面通过能谱（EDS）映射图像表征的元素组成。

图2. (a) CuCrO₂/β-Ga₂O₃ p-n HJD 和 β-Ga₂O₃ SBD 的 J–V 特性线性图，以及 (b) J–V 特性和提取的 R_on,sp 与正向偏压的半对数图。

DOI：

doi.org/10.1109/TED.2025.3575742