【国内论文】ISPSD 2026丨中国科大龙世兵教授团队突破（011）β-Ga₂O₃器件性能极限，实现超3.5 kV肖特基二极管与首个4.7 kV NiO基异质结二极管

        由中国科学技术大学龙世兵教授、徐光伟教授、周选择副研究员等的研究团队在学术会议 2026 IEEE 38th International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs (ISPSD) 发布了一篇名为 Over 3.5 kV (011) β-Ga₂O₃ Schottky Barrier Diode and First Demonstration of 4.7 kV NiO-based (011) β-Ga₂O₃ Heterojunction Diode （超过 3.5 kV 的（011）β-Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管及首个 4.7 kV NiO 基（011）β-Ga₂O₃ 异质结二极管的实现）的文章。

        作为备受瞩目的超宽禁带半导体，氧化镓（β-Ga₂O₃）在下一代高压功率电子器件领域展现出巨大的应用潜力，然而目前国际上广泛采用的 (001) 晶向氧化镓外延层在向大厚度、低载流子浓度方向发展时面临着严重的物理与工艺瓶颈，极大地限制了其理论击穿电压（BV）的进一步提升；为了打破这一衬底晶向带来的技术壁垒，研究团队将目光转向了在厚度生长和浓度调控上更具优势的 (011) 晶向 β-Ga₂O₃ 外延层，通过系统对比 (011) 与 (001) 晶向器件的电学各向异性，并首次引入 p-NiO 边缘终端技术，旨在研制出突破 4 kV 级别的超高压氧化镓异质结功率整流器件。

        β-Ga₂O₃ 凭借其优越的材料特性，成为高压应用领域的理想候选材料。高质量的外延层对于功率器件提高击穿电压（BV）至关重要。然而，广泛使用的（001）β-Ga₂O₃ 外延层在增加厚度和降低载流子浓度方面面临挑战，这限制了击穿电压的进一步提升。重要的是，（011）β-Ga₂O₃ 外延层不受这些瓶颈的限制。在本研究中，该团队比较了基于（011）和（001）外延层的肖特基势垒二极管（SBD）的特性。由于外延层完全耗尽，无终端的（011）肖特基势垒二极管的击穿电压达到 1785 V，显著高于（001）肖特基势垒二极管。此外，该团队首次在（011）β-Ga₂O₃ 外延层上展示了基于 NiO 的异质结二极管（HJD）。通过采用三层结终端扩展结构，肖特基势垒二极管和异质结二极管的击穿电压分别提高到 3505 V 和 4720 V，证实了（011）外延层在构建高压器件方面的优越性。

        ①研究团队通过对比实验发现，在未采用任何边缘终端结构的情况下，(011) 晶向 SBD 的击穿电压（BV）即可达到 1785 V，远高于相同制备条件下的 (001) 晶向 SBD。这主要归因于 (011) 外延层能够实现更充分的电场耗尽。

        ②这是国际上首次在 (011) 晶向 β-Ga₂O₃ 上演示基于 NiO 的结终端延伸（JTE）异质结二极管（HJD）。该器件的反向电压阻断能力实现了质的飞跃，击穿电压达到了创纪录的 4712 V。

        ③在引入带有场板（FP）的 p-NiO 终端后，器件不仅耐压极高，同时保持了优异的正向导通特性：

        (011) SBD 终端器件：BV 超过 3.5 kV，巴利加功率优值（BFOM）达到 1.45 GW/cm²；

        (011) NiO HJD 终端器件：BV 达到 4.7 kV，BFOM 高达 2.43 GW/cm²，在已报道的同类器件中处于国际顶尖水平。

        ④研究系统分析了不同晶向的电学微观差异，发现 (011) 晶面的本征肖特基势垒高度（~1.12 eV）高于 (001) 晶面（~0.97 eV），因此 (011) 器件在高温和高电场下能够展现出更低的反向漏电流，其漏电机制主要受热场发射（TFE）主导。

        ⑤该工作成功验证了 (011) 晶向氧化镓作为高压功率器件基底的独特物理特征与巨大潜力，彻底摆脱了传统 (001) 晶向的外延瓶颈，为未来开发 5 kV 以上、低损耗的单片集成大功率电力电子芯片提供了全新的高效解决方案。

        综上所述，较低的 ND 确保了较厚的外延层能够被完全耗尽，从而最大限度地提高了（011）β-Ga₂O₃ 外延层的电压阻断能力。（011）β-Ga₂O₃ JTE-SBD 的击穿电压（BV）显著提高，从 1705 V 升至 3505 V，同时保持较低的漏电流。同时，JTE-HJD 也表现出良好的导电能力，其击穿电压高达 4720 V。本研究凸显了（011）β-Ga₂O₃ 外延层的潜力，为高压功率器件的应用提供了新的选择。

        本工作得到了中国国家自然科学基金（项目编号：62522411、U23A20358、62404214、62474170和62234007）、中国国家重点研发计划（项目编号：2024YFE0205200）、江苏省科技重大专项（项目编号：BG2024030）以及苏州实验室开放研究基金（项目编号：SZLAB-1208-2024-ZD012）的支持。本工作部分在中国科学技术大学微纳研究与制造中心、信息科学实验室中心和物理科学仪器中心进行。