【国际论文】VBr >10 kV 的电子束/溅射垂直 NiOx/(011) β-Ga₂O₃ HJD其PFOM>2.3 GW/cm²

        由美国加利福尼亚大学联合美国海军研究实验室的研究团队最新发布了一项研究成果，研究名为：V_Br >10 kV E-Beam/Sputtered Vertical NiO_x/(011) β-Ga₂O₃ HJDs with PFOM >2.3 GW/cm²（V_Br >10 kV 的电子束/溅射垂直 NiO_x/(011) β-Ga₂O₃ HJD其PFOM>2.3 GW/cm²）。

        人工智能（AI）数据中心的快速扩张和电动汽车（EV）充电网络的建设，对高效、低成本且具备高电压处理能力的电力电子器件提出了迫切需求。氧化镓（β-Ga₂O₃）作为超宽禁带半导体，具有 4.9 eV 的禁带宽度和高达 8 MV/cm 的理论击穿场强。更重要的是，它可以通过熔体法生长出高质量、大尺寸的单晶衬底，在成本和规模化生产上比 SiC 和 GaN 更有潜力。传统的氧化镓肖特基势垒二极管（SBD）受限于金属-半导体界面的漏电流和电场集中效应，很难在高电压（特别是 10 kV 以上）下保持低损耗。由于氧化镓缺乏有效的 p 型掺杂，研究者引入了宽禁带 p 型氧化物（如氧化镍 NiO）与 n 型氧化镓组成异质结（HJD）。这种结构可以将最大电场从界面处移开，从而显著提升击穿电压并降低关断状态下的漏电流。虽然 (100) 和 (001) 晶面研究较多，但 (011) 晶面在高质量厚膜外延生长方面展现出独特优势。实现 10 kV 级别的耐压，需要生长出几十微米厚且具备低杂质浓度的氧化镓漂移层，这对外延工艺提出了极大挑战。

        β-氧化镓（β-Ga₂O₃）在中压范围的电力电子应用中具有巨大的潜力。本研究报道了一种基于外延（011）β-Ga₂O₃、表面经电子束/溅射镍氧化物（NiO_x）堆叠处理的边缘终止垂直异质结二极管（HJD），其 V_Br > 10 kV/R_on,sp = 43 mΩ•cm²。该 HJD 的功率优值（PFOM）超过 2.3 GW/cm²。测得的平行面击穿电场强度大于 5.3 MV/cm，这是迄今为止在厚 (011) β-Ga₂O₃ 外延漂移层上报道的最高电场强度。

        本研究通过结合电子束沉积和溅射沉积 NiO_x 作为 p 型层，成功制备了耐压超过 10 kV 的 NiO_x/(011) HVPE β-Ga₂O₃ 异质结二极管。这种采用台面隔离结构的场镀 HJD 实现了 > 2.3 GW/cm² 的 PFOM 值和 >5.3 MV/cm 的平行面击穿电场。在 (011) β-Ga₂O₃ 上实现的高击穿电压/电场以及较大的 PFOM 值表明，该衬底取向在高电场处理能力方面具有潜力。

图1. (a) 参考肖特基势垒二极管（SBD）和 (b) 台式隔离/场镶嵌异质结二极管（MI/FP HJD）的示意性横截面图。

图2. (a) SBD 和 MI/FP HJD 的线性正向 I-V 特性曲线。 (b) SBD 和 MI/FP HJD 的半对数刻度 I-V 特性曲线。(c) SBD 和 MI/FP HJD 的 R_on,sp 与二极管尺寸关系图。(d) SBD 和 MI/FP 1 mm 直径器件的脉冲 I-V 特性曲线。

图3. (a) 直径为 1 mm 的金刚石上 MI/FP HJD 在 1 MHz 频率下的 C-V 特性曲线，插图显示 1/C² 与电压的关系。 (b) 直径为 1 mm 的金刚石上 MI/FP HJD 在 1 MHz 频率下的掺杂浓度随深度变化的分布曲线。

图4. (a) 直径为 60 μm 的 MI/FP HJD 的反向击穿特性。 (b) 直径为 100 μm 的 MI/FP HJD 的反向击穿特性。 (c) 直径为 60 μm 的器件在施加 10 kV 反向偏压前后的 J-V 特性曲线（线性刻度和半对数刻度）。

图5. 文献中报道的各种异质结二极管 R_on,sp 与击穿电压的对比分析。

DOI:
doi.org/10.48550/arXiv.2604.27262