【国内论文】APL丨南京大学叶建东教授联合汕头大学团队：实现Ni合金化p型氧化镓突破，构建 2.4 kV 高耐压Ga₂O₃ p-n双极器件

        由南京大学叶建东教授联合汕头大学的研究团队在学术期刊 Applied Physics Letters 发布了一篇名为 Valence-band engineering of robust p-type Ni_xGa_1-xO enabling Ga₂O₃ p-n bipolar junction（通过价带工程制备稳健的 p 型 Ni_xGa_1-xO，实现 Ga₂O₃ p-n 双极结）的文章。

        β-Ga₂O₃ 拥有 4.9 eV 超宽禁带与 8 MV/cm 理论击穿电场，是下一代高压功率电子器件核心候选材料，现有氧化镓器件均为单极型肖特基二极管、MOSFET，缺少高性能双极功率器件，核心瓶颈是无法实现稳定可激活 p 型 Ga₂O₃。常规氮、镁、锌受主掺杂易形成深能级缺陷，受空穴自俘获、高有效质量制约，难以产生有效导电空穴，该缺陷普遍存在于氧化锌、氧化镓等宽禁带氧化物体系。现有改良思路依靠轨道杂化抬高价带顶，但铋、铱掺杂体系制备成本高、薄膜均匀性差；NiO 本征 p 型导电且与 Ga³⁺ 离子半径匹配，具备合金化改性潜力，但当前研究仅停留在薄膜基础物性表征，未系统研究 Ni 组分对价带结构、输运特性的调控规律，也未构建兼具高整流比、高反向耐压的完整 Ga₂O₃ p-n 双极功率二极管，缺少一套兼顾价带调控、相结构优化、器件电场优化的完整方案，是宽禁带双极器件领域关键研究空白。

        可靠 p 型超宽禁带半导体的缺失，是实现氧化镓基双极功率器件的根本阻碍。该团队通过镍合金化 Ga₂O₃（Ni_xGa_1-xO）开展价带工程，实现稳定 p 型导电。Ni_xGa_1-xO 中强 Ni 3d-O 2p 轨道杂化重塑价带结构、抬高价带顶，当镍组分 x>0.3 时薄膜可实现空穴输运。Ni 组分从 0.32 提升至 0.62 时，跳跃激活能降至 0.06 eV，空穴浓度可达～10¹⁸ cm⁻³，电阻率约 40 Ω・cm，同时维持 4.5–4.1 eV 宽禁带。制备的 p-Ni_0.62Ga_0.38O/n-Ga₂O₃ 二极管具备清晰正向双极导通调控特性，±3 V 下整流比高于 10¹⁰；采用 Ni_0.32Ga_0.68O/Ni_0.62Ga_0.38O 双层结构可将反向耐压提升至 2.4 kV。该研究证明镍合金化 Ga₂O₃ 是适用于氧化镓双极功率器件的高性能 p 型超宽禁带材料。

        ①在 Ni_xGa_1-xO 合金中利用 Ni 3d-O 2p 轨道杂化抬高价带顶，x>0.3 组分薄膜实现室温稳定 p 型导电。

        ②揭示 Ni_xGa_1-xO 随镍组分变化的物相转变规律及跳跃输运激活能变化趋势。

        ③制备单层 p-Ni_0.62Ga_0.38O/n-Ga₂O₃ 二极管，±3 V 整流比高于 10¹⁰。

        ④提出梯度 p 型双层复合层结构重新分配结区电场，将器件反向击穿电压提升至 2416 V。

        综上，将 Ni 引入 Ga₂O₃ 体系可依靠强 Ni 3d-O 2p 轨道杂化实现高效价带调控，抬高价带顶，在 x>0.3 的 Ni_xGa_1-xO 合金中获得稳定 p 型导电，同时禁带宽度小幅收窄。结构、光学与输运表征共同证实，轨道杂化引起的价带顶上移降低跳跃激活能，激活 Ni 基受主，实现最高 10¹⁸ cm⁻³ 空穴浓度。基于该电子结构调控，p-Ni_0.62Ga_0.38O/n-Ga₂O₃ 双极二极管可实现双极正向导通，±3 V 整流比大于 10¹⁰；采用双层梯度 p 型结构可将反向击穿电压提升至 2.4 kV。该研究证明三元 Ni_xGa_1-xO 薄膜是制备稳定 p 型导电层的理想体系，为氧化镓基双极功率器件提供可行技术路线。

        本研究得到国家自然科学基金（62234007、62425403、62293522、623B2046、12374073）、江苏省科技重大专项（BG2024030、BK20253003）、广东省基础与应用基础研究基金（2023A1515010556、2024A1515012961）、李嘉诚基金会（2024LKSFG01）、江苏省研究生科研与实践创新计划（KYCX24_0142）资助。