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【国际论文】AEM封面论文---Ga₂O₃自开关纳米二极管
日期：2025-07-21阅读：16
由沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学李晓航教授的研究团队在学术期刊 Advanced Electronic Materials 发布了一篇名为 On Ga2O3 Self-Switching Nano-Diodes（关于 Ga2O3 自开关纳米二极管）的文章。本文是AEM封面论文。
背 景
自开关二极管（SSD）或称无栅极二极管，是一种两端非线性器件，其独特的非对称纳米通道能够使其在没有外部栅极控制的情况下，实现类似晶体管的电流饱和特性。SSDs 因其结构简单、制造成本低、易于集成，并在高频下仍能保持强非线性特性，被认为是太赫兹（THz）技术的理想候选者。传统的 SSDs 通常基于 III-V 族半导体，这些材料的带隙较窄，限制了器件的击穿电压和功率处理能力。宽禁带半导体，特别是 β-氧化镓（β-Ga2O3），因其超宽禁带（~4.9 eV）和高击穿场强（~8 MV/cm），为开发具有更高击穿电压和更大动态范围的 SSDs 提供了新的材料平台。此前的 Ga2O3 基 SSDs 研究主要基于剥离的纳米薄片，这种方法难以实现大规模、可重复的制造。通过直接在晶圆上外延生长并采用平面工艺制造 SSDs 是实现其商业化应用的关键。
主要内容
本文提出了第一个外延 Ga2O3 自开关纳米二极管（SSND）。与以往主要关注整流性能的 SSND 研究不同，本研究进一步探索了该器件的其他特性，包括击穿电压和光检测功能。随着器件沟槽的相对介电常数（κ）增加以及在紫外线照射下，二极管的电流呈现出显著提升。相对介电常数较高的器件可实现约 10 kA cm−2 的高电流密度、约 104 的整流比，以及低至 0.29 mΩ cm2 的特定导通电阻。此外，其击穿电压超过 100 V，最大功率性能指标达 35.46 MW cm−2。此外，在 240 nm 光照射下，二极管的响应度接近 104 A W−1。这些初步结果表明，SSNDs 在目前正被广泛研究用于各种应用的单片 Ga2O3 电路方面具有潜力。
创新点
● 首次基于外延生长的 β-Ga2O3 薄膜成功制造出自开关纳米二极管（SSD）。
● 展示了通过改变纳米通道的几何尺寸来精确调控器件关键电学参数的可行性。
● 制造的 SSDs 展现出高开关比（>105）和良好的高温工作能力（高达 175 °C），证明了 Ga2O3 在高频、高功率应用中的潜力。
总 结
本研究表明 β-Ga2O3 SSNDs 在实现多种功能方面具有巨大潜力。β-Ga2O3 SSNDs 展现出约 10 kA cm−2 的高电流密度和极低的特定 Ron,sp 值（低于 0.8 mΩ cm2），最低可达 0.29 mΩ cm2，与基于原生 β-Ga2O3 衬底制备的先进二极管相当。SSNDs 的电压比（VBR）约为 109 V，功率密度（PFOM）为 35.46 MW cm−2。此外，SSNDs 对深紫外光表现出光响应，在 240 nm 光照下于 15 V 电压下响应度接近 104 A W−1。因此，β-Ga2O3 SSNDs 被认为可在未来 β-Ga2O3 单片集成电路中提供多种有前景的功能。
图1． a) 10沟道 Ga2O3 SSND 的 3D 示意图，以及 b) 制备的器件对应的顶视SEM图像。
图2．SSND 在 a) 正向偏压和 b) 反向偏压下的示意图，显示相应的耗尽区；以及在 c) 正向偏压和 d) 反向偏压下与 SSND 通道垂直的能带图。
DOI：
doi.org/10.1002/aelm.202500177
