【国内新闻】3kV超宽禁带金刚石/氧化镓异质PN结二极管——第三代半导体技术十大进展候选成果TOP30推介

      为贯彻国家创新驱动发展战略，积极培育和发展新质生产力，聚焦发掘我国第三代半导体产业重要科技进展，进一步扩大优秀科研成果的影响力和辐射面，助推优秀技术成果转化为新质生产力，实现高水平科技自立自强，赋能我国产业不断攀升全球价值链的最高端。由国际第三代半导体论坛暨第中国国际半导体照明论坛（IFWS&SSLCHINA）程序委员会倡议发起“年度中国第三代半导体技术十大进展”评选，2025年经公开征集和合规筛选，共计有效成果43项。经程序委员会专家评审投票，33项优秀成果进入终评候选成果TOP30 （不分先后）。接下来将逐一推介，敬请关注！

3kV超宽禁带金刚石/氧化镓异质PN结二极管

      ——中国科学院宁波材料技术与工程研究所、甬江实验室、郑州大学

      中国科学院宁波材料技术与工程研究所联合甬江实验室、郑州大学等单位，针对超宽禁带半导体双极型掺杂缺失问题，突破了超宽禁带半导体异质外延集成和高压功率器件制备关键技术，在《Nano Letters》上发表了关于超高耐压超宽禁带金刚石/氧化镓异质结P-N二极管的研究成果。该研究制备出的金刚石/氧化镓二极管具有原子级清晰界面和优异Ⅱ型能带排列，同时具备高达42 MW/m²·K的界面热导率，展现出优异的热管理能力，器件展现出超过8个数量级的整流比，无终端结构实现超过3000 V的击穿电压。该成果为高性能超宽禁带双极型功率器件的发展提供了新路径。

学术/产业价值

      该成果在学术界具有重要价值。该研究通过协同介稳态氧化镓的结晶路径和多畴生长行为，在P型（100）取向的金刚石衬底上成功外延生长高质量N型掺杂可控的ε晶相氧化镓薄膜。X射线光电子能谱和原子级结构表征揭示高温结晶氧化镓外延层与氧终端金刚石形成无元素偏析的原子级清晰异质界面，具有理想的Ⅱ型异质结能带排列，为解决超宽禁带半导体双极掺杂难题提供了创新的材料体系与器件范式。

      在关键指标上，对比已报道的金刚石基二极管，团队所制备的异质结二极管不仅具有超过8个数量级的开关比，在超过3000 V反向偏压下无明显漏电流，模拟仿真的击穿电压超过5000 V；同时，时域热反射谱（TDTR）表明该二极管的异质结界面拥有超过40 MW/m²·K的界面热导，受低热导率氧化镓影响较小。以上成果表明该器件兼具耐压、效率和散热能力。这为开发下一代高性能、高可靠性的电力电子系统（如智能电网、轨道交通和宇航电源）提供了关键的技术路径和核心器件解决方案。

创新指标

      1.发展了超宽禁带半导体异质外延集成技术，构建了原子级尖锐界面并实现超过42 MW/m²·K的界面热导率。

      2.实现了领域首个击穿电压超3kV的超宽禁带异质pn结，同时展现功率器件所需的低导通电阻和高效热管理特性。

应用前景

      该金刚石/氧化镓异质结二极管的成功研制，为其在下一代超高压功率电子系统中的应用开辟了广阔前景。此项工作的核心突破在于，通过构建高质量的异质结界面，巧妙地规避了超宽禁带半导体自身“双极型掺杂难”的固有瓶颈，得益于超过3000V的击穿电压、卓越的界面散热能力以及低的导通电阻，利用金刚石极高的热导率有效解决了氧化镓材料因低热导率而备受制约的“自热效应”难题。该全超宽禁带结构的器件成为应对极端工况的理想选择，特别为未来的高压电驱，以及航空航天及深空探测中的高抗辐射电力系统提供了全新的器件解决方案。

推荐人理由

      该工作报道了国际上首个击穿电压超3kV的超宽禁带半导体异质pn结器件，提出了克服异质结缺陷对功率器件耐压特性影响的创新性思路，揭示了超宽禁带半导体在功率器件领域的巨大潜力。——张文瑞（中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员）

成果发表

      该工作受到了中国科学院、Phys.org等新闻网站报道，被《Functional Diamond》杂志收录为年度七大研究亮点之一。

      Ultrawide Bandgap Diamond/ε-Ga₂O₃ Heterojunction pn Diodes with Breakdown Voltages over 3 kV

      Jianguo ZhangNingtao LiuLi ChenXun Yang*Haizhong GuoZefeng WangMing-Qian YuanXue-Jun YanJianqun YangXingji LiChongxin Shan*Jichun Ye*Wenrui Zhang*

      链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c05446