【会员论文】南方科技大学&深圳职业技术大学于洪宇教授、汪青教授团队：高性能Cu₂O/Ga₂O₃异质结二极管在电力电子中的应用

        由南方科技大学&深圳职业技术大学于洪宇教授、汪青教授团队在第9届IEEE电子器件技术与制造大会(EDTM 2025)上发布了一篇名为High-Performance Cu₂O/Ga₂O₃ Heterojunction Diodes for Power Electronics（高性能 Cu₂O/Ga₂O₃ 异质结二极管在电力电子中的应用）的文章。

        本研究得到了以下项目的支持：国家自然科学基金（项目编号：62274082）；源/漏欧姆接触机理及其相关GaN p-FET研究（项目编号：2023A1515030034）；高可靠性GaN功率器件及其工业电力系统研究（项目编号：KZQB-KCZYZ-2021052）；GaN功率器件可靠性研究（项目编号：JCYJ20220818100605012）；GaN p-FET新型低电阻源/漏欧姆接触研究（项目编号：JCYJ20220530115411025）；1200V SiC MOSFET关键技术研究（项目编号：JSGG20220831094404008）；“5G前沿”项目微纳加工平台建设（项目编号：K2023390010）；高层次专项资金支持（编号：G03034K004）。作者还感谢南方科技大学公共分析测试中心提供的技术支持。

        氧化镓（Ga₂O₃）凭借其 4.5–4.8 eV 的超宽禁带、高 Baliga 优值以及高达 8  MV/cm 的临界击穿电场，已成为高压功率电子器件应用中极具前景的候选材料，其性能优于硅（Si）、碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等传统材料。此外，熔融生长单晶 Ga₂O₃ 衬底的可用性也进一步提升了其在高质量、低成本同质外延的潜力。然而， 缺乏 p 型掺杂能力仍然是 Ga₂O₃ 在双极型功率电子应用中的关键限制。为应对这一挑战，将 n 型 Ga₂O₃ 与 p 型半导体集成构建 p-n 异质结二极管（HJD）是一种有效策略，为高压功率电子器件的应用开辟了新途径。

        本研究通过构建具有梯度空穴浓度的双层 Cu₂O 结构，成功制备出高性能的 Cu₂O/Ga₂O₃ 异质结二极管（HJD）。相比采用 p⁺ 型 Cu₂O 层或 p^- 型 Cu₂O 层的单层异质结器件，双层结构 HJD 展现出更优性能，实现了高达 2430 V 的击穿电压，并进一步获得了 0.91 GW/cm² 的功率优值。该成果为Ga₂O₃ 的异质结器件在未来功率电子领域的应用提供了有前景的技术路径。

        ●创新设计双层 Cu₂O 结构，调控空穴浓度梯度，通过引入p⁺/p^- Cu₂O双层，有效优化异质结的能带结构与电场分布，显著提升器件性能。

        ●系统比较单层与双层结构，揭示性能提升机制，通过仿真和实验验证，明确 p^- 层平滑电场峰值、p⁺ 层降低接触电阻的协同贡献。

        ●器件工艺重复性良好，制备过程稳定可控，展现出良好的器件一致性与批量加工潜力。

        本研究提出了一种通过调控 Cu₂O 层空穴浓度来优化 Cu₂O/Ga₂O₃ 异质结二极管（HJDs）性能的策略。所制备的双层结构 HJDs 实现了 2430 V 的击穿电压、6.52 mΩ·cm² 的特征导通电阻（R_on,sp），以及1.8 V的开启电压（V_ON），并获得了 0.91 GW/cm² 的高功率优值（PFOM）。该工作为增强 Cu₂O/Ga₂O₃ 异质结器件性能提供了一种切实可行的有效途径。

图 1. 具有各种器件结构的 Cu₂O/Ga₂O₃ HJD 的横截面示意图及其制造流程。

图 2. 制备的 DL HJD 光学显微镜图像俯视图。

DOI：

doi.org/10.1109/EDTM61175.2025.11041080