【国内论文】香港大学&南京大学：通过电路方法评估的NiO/Ga₂O₃双极结的开关可靠性

        超宽禁带（UWBG）的 NiO/Ga₂O₃ 异质结因其高击穿场强和潜在的雪崩能力，已成为各种 Ga₂O₃ 功率器件中的关键构建模块。传统的器件可靠性评估通常在静态（直流）条件下进行，例如长时间施加恒定的正向电流或反向电压。然而，功率器件在实际应用中是处于高频、动态的开关状态，会同时承受电流和电压的快速变化，这种动态应力与静态应力有很大不同。目前，关于 NiO/Ga₂O₃ 异质结在动态开关条件下的可靠性研究，特别是电路级的评估，仍然是一个空白。了解器件在实际工作条件下的参数漂移和退化行为，对于其最终的商业化应用至关重要。

        超宽禁带（UWBG）NiO/Ga₂O₃ 双极结已作为多种 Ga₂O₃ 功率器件的关键构建模块崭露头角，这得益于其高击穿场强和雪崩能力。然而，该双极 UWBG 结在动态开关条件下的可靠性尚未被深入研究。在本研究中，研究团队首次对大面积 NiO/Ga₂O₃ 二极管在连续 10A/650V 和 10A/1.2kV 感应开关条件下的电路级开关可靠性进行了表征。通过重建每个开关周期中记录的电压和电流波形，提取了参数偏移。在经历 10⁷ 次开关循环后，结的导通电压（V_ON）和差分导通电阻（R_ON-D）分别下降了 0.25 V 和 36%。此类参数偏移在较高开关电压下得到缓解。此外，电路测试数据与直流应力下的参数偏移进行了对比。尽管两种测试下的参数变化均可由约 4200 s 的捕获/脱捕获时间常数表征，但在开关应力下参数变化的幅度更高。文中讨论了其背后的物理机制。这些结果为 NiO/Ga₂O₃ 基功率器件在转换器中的应用提供了关键参考，并强调了基于开关方法的器件可靠性评估的重要性。

        •首次对 NiO/Ga₂O₃ 双极结的动态开关可靠性进行了实验研究，填补了该领域静态可靠性与实际应用之间的空白。

        •通过在双脉冲测试中重构动态 I-V 曲线，实现了对器件参数在开关应力下漂移的原位、实时监测。

        •揭示了 NiO/Ga₂O₃ 异质结在动态开关下的特定退化模式，并提出了其物理机理，即 p-NiO 空穴在界面陷阱中的俘获。

        本研究首次对 NiO/Ga₂O₃ 超宽禁带（UWBG）器件在类似实际应用的开关应力条件下（涉及正向电流与反向偏压的交替作用）进行了可靠性研究。该开关可靠性测试通过电路测试实现，依托于利用电流和电压波形重建的大信号动态 I-V 特性。研究结果表明，在实际开关条件下，NiO/Ga₂O₃ 结的主要参数变化为 V_ON 和 R_ON-D 的减小。此类变化可完全恢复，且受深能级捕获/脱捕获过程控制，其时间常数为 4200 s。该电路测试中的参数变化幅度高于直流测试，表明基于电路的开关方法具有重要意义。这些结果为 NiO/Ga₂O₃ 基 UWBG 器件的电路应用提供了关键参考。

图1. (a) NiO/Ga₂O₃ 异质结二极管的截面示意图及(b)击穿特性，该二极管采用 BTO 薄膜极（FP）和倾斜台面结温（JTE）。(c) 不同温度下的正向 I-V 特性曲线。(d) 从 (c) 中提取的 V_ON 和 R_ON-D 值。

图2. (a) 连续开关应力与恢复采样试验的示意图。 (b) 基于每个开关周期中记录的电流和电压波形进行动态I-V重建的示意图。