【国际论文】具有高开关性能的垂直p-GaN/n-Ga₂O₃异质结二极管

        作者感谢日本电气通信大学（UEC）Cong-Kha Pham 教授和日本东京大学超大规模集成电路设计与教育中心（VDEC）在提供仿真工具方面给予的支持。

        近年来，β-氧化镓（β-Ga₂O₃）因其宽带隙半导体特性而备受关注，成为下一代电力电子应用的有前景的候选材料。其带隙约为 4.7 - 4.9 eV，临界电场高达约 8 MV cm⁻¹，且具有出色的巴利加优值（BFOM），与传统材料如硅（Si）相比，β-Ga₂O₃ 具有更优越的特性，其预期电场比碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）高出数倍。此外，β-Ga₂O₃ 还具有成本效益高、可大规模生产的优势，这得益于通过诸如 EFG 法等技术制造的大尺寸、缺陷减少的晶圆的可用性。

        功率二极管的反向恢复特性在其他具有代表性的宽带隙半导体中已得到广泛研究，但 GaN/β-Ga₂O₃ 异质结 p-n 二极管的反向恢复行为尚未得到探索。因为 GaN 和 β-Ga₂O₃ 的组合由于其独特的材料特性和界面特性而引入了独特的物理机制。这些机制可能会极大地影响反向恢复特性，但在文献中尚未得到充分研究。在本研究中，研究人员考察了 GaN/β-Ga₂O₃ 异质结二极管的反向恢复特性，特别关注温度、正向电流大小和掺杂浓度的影响。这项研究为理解超宽带隙半导体器件的反向恢复动力学提供了新的贡献。

        尽管对 GaN/Ga₂O₃ p-n 二极管的正向电流-电压特性和击穿电压性能已进行了广泛研究，但尚未有关于其反向恢复特性的报道。本文研究了 p-GaN/n-Ga₂O₃ 二极管的反向恢复行为，并考察了温度、正向电流大小和掺杂浓度对其性能的影响。在开关过程的模拟中，施加了 -10 V 的反向电压（V_R）和 3 A 的正向电流（I_F）。p-GaN/n-Ga₂O₃ 二极管表现出快速的反向恢复，实现了 72 ns 的反向恢复时间（t_rr），在相同的 dI/dt 条件下优于 6H-SiC p-n 二极管。值得注意的是，p-GaN/n-Ga₂O₃ 二极管的反向恢复特性在不同温度和正向电流水平下保持稳定。此外，在 300 K 时实现了 703 V 的高击穿电压，并且在不同温度下保持稳定。这些发现突显了 p-GaN/n-Ga₂O₃ 异质结二极管在高压、快速开关应用中的潜力。

        研究人员对 GaN/β-Ga₂O₃ p-n 异质结二极管的模拟显示，在 300 K 时其开启电压为 3.5 V，击穿电压为 703 V，且在不同温度下性能稳定。这种稳定性凸显了 p-GaN/n-Ga₂O₃ 异质结二极管作为高压操作可靠功率器件的应用潜力。在反向恢复模拟中，GaN/β-Ga₂O₃ 二极管表现出快速的开关行为，超过了 6H-SiC 二极管。此外，反向恢复特性不受温度或正向电流大小的影响，表明该器件主要由多数载流子操作，不受少数载流子复合的影响。研究中提出的优化结构设计显著降低了温度和正向电流大小对 p-n 异质结二极管反向恢复特性的影响。研究还表明，反向恢复特性仅取决于 n-Ga₂O₃ 外延层的掺杂浓度，而非 p-GaN 层的掺杂浓度。这些发现突显了氮化镓/β-氧化镓二极管在需要快速开关、低损耗和高可靠性的应用中的巨大潜力，例如电动汽车、航空航天、可再生能源系统以及下一代功率器件。

图 1 仿真 GaN/β-Ga₂O₃  异质结 p-n 二极管示意图。

图 2 (a) β-Ga₂O₃ SBD 和 (b) GaN p-n 二极管正向电流-电压 (I-V) 特性的实验数据（蓝色）和模拟数据（红色）。良好的一致性证实了直流器件模型的准确性。

DOI：

doi.org/10.1039/D5MA00037H