【国际论文】MTP | 韩国釜山国立大学团队通过补偿工程赋能β-Ga₂O₃全温域自适应输运，实现约3000 V高压运行

        由韩国釜山国立大学、东义大学、奥斯陆大学的研究团队在学术期刊 Materials Today Physics 发布了一篇名为 Compensation-Controlled Adaptive Transport and High-Voltage Operation in β-Ga₂O₃ Single Crystals（β-Ga₂O₃ 单晶中的补偿控制自适应传输与高压运行）的文章。

        面向航天、深空探测、军工极端环境电子器件，半导体需要在深低温至高温区间稳定工作，但现有半导体材料存在固有温度适配短板：窄禁带半导体（SiGe、GaAs）低温可维持导电，高温漏电流激增、热稳定性差；宽禁带半导体 SiC、GaN 高温可靠性优异，但低温下载流子冻结，器件电阻急剧升高。月球、水星等地外天体存在超宽温变环境，单一材料器件无法覆盖全温域，只能多器件组合，大幅提升系统复杂度与失效风险。

        缺陷辅助跳跃输运被认为是解决低温导电冻结问题的可行路径，带隙内局域态可在热激发载流子耗尽时提供导电通路，但缺陷密度存在固有权衡：局域态过少无法实现低温导通，缺陷过多则会击穿电压劣化、功率器件耐压性能下降。

        施主-受主补偿比 K=N_A/N_D 是调控缺陷态网络的核心参数，现有研究尚未系统厘清补偿水平、多温度区间输运机制演化、肖特基二极管高压特性三者的耦合关系，同时缺少强局域化区间磁场响应行为的系统验证。本论文以 β-Ga₂O₃ 单晶肖特基二极管为研究对象，通过调控晶体生长氧分压制备高低补偿度样品，建立补偿工程调控全温域自适应输运与高压器件性能的完整理论框架。

        可靠半导体器件在深低温至高温区间稳定运行是航天与国防电子领域的核心难题：宽禁带半导体低温下发生载流子冻结，窄禁带材料高温性能劣化。本文制备 β-Ga₂O₃ 单晶肖特基二极管，系统研究不同补偿度 β-Ga₂O₃ 单晶在超宽温域内的稳定整流特性与补偿依赖型输运演化规律。低补偿单晶器件可实现带导电至跳跃输运的机制转变，深低温下仍维持导电，同时实现约 3000 V 超高击穿电压，远高于现有单晶 β-Ga₂O₃ 肖特基二极管数百伏的击穿水平。与之相反，高补偿样品输运特性随温度变化更平缓，但击穿电压显著降低，证明器件高压性能高度依赖补偿调控的缺陷分布、载流子浓度与杂质缺陷密度。在低补偿体系中，本文在强局域化区间观测到 Efros-Shklovskii 变程跳跃导电，该输运机制对磁场高度敏感，磁场会加剧载流子局域化并抑制电流。研究证实施主-受主补偿是调控输运机制演化的核心参数，同时实现高压器件性能需同步兼顾补偿度、载流子浓度与杂质缺陷控制，为极端温度、强电场环境下高稳定性半导体器件开发提供全新技术路径。

        ① 首次通过调控施主-受主补偿比实现 β-Ga₂O₃ 单晶全温域自适应输运调控，低补偿样品随温度降低依次经历带导电、近邻跳跃（NNH）、Mott 变程跳跃（Mott VRH）、Efros-Shklovskii 变程跳跃（ES VRH）四种连续输运机制转变，解决宽禁带半导体低温载流子冻结难题。

        ② 制备低补偿高纯度 β-Ga₂O₃ 单晶肖特基二极管，实现～3000 V 超高击穿电压，打破传统单晶 β-Ga₂O₃ 器件数百伏耐压瓶颈，厘清补偿度、总杂质浓度 N_A+N_D、击穿电压三者的权衡关系。

        ③ 在 ES VRH 强局域化区间发现显著磁场响应输运特性：磁场超过临界场 H_c≈4 T 时磁场诱导局域化效应抑制跳跃导电，提出磁场自适应限流防护器件新方案，适用于深空强电磁极端环境。

        ④ 建立 N_A-N_D 补偿相图，量化区分高/低补偿晶体的费米能级与缺陷能带分布规律，明确补偿比 K=N_A/N_D 是连接载流子本征输运与二极管器件性能的统一调控参量。

        本研究证实施主-受主补偿是统一调控 β-Ga₂O₃ 超宽温域电荷输运与高压器件性能的核心参数。通过系统调控补偿比，本文揭示晶体输运特性并非固定单一导电机制，而是随温度降低依次转变为带导电、近邻跳跃、Mott 变程跳跃、Efros-Shklovskii 变程跳跃。低补偿晶体可实现这种自适应输运演化，同时达到约 3000 V 超高击穿电压，构建了可同时兼顾低温导电与强电场稳定性的全新材料区间。与之相对，高补偿样品依靠缺陷介导通路实现全温域连续导电，但缺陷密度升高会劣化击穿性能，明确了补偿调控带来的固有性能权衡。重要的是，在 Efros-Shklovskii 变程跳跃区间，本文发现磁场响应型输运行为，磁场增强局域化效应，当外场超过临界磁场时导电行为被抑制，该现象源于跳跃长度 r_hop 与磁场约束作用的竞争关系。该特性赋予器件全新功能，可通过外磁场主动调控载流子输运。上述研究成果证明补偿工程是设计超宽禁带半导体器件的关键策略，可实现自适应导电、高压耐受与磁场响应多功能工作模式，在低温电子、大功率器件、极端环境电子领域具备重要应用价值。

图 1. 高低温区间 β-Ga₂O₃ 单晶补偿依赖输运区间与肖特基二极管特性。(a) 典型半导体肖特基二极管工作温度区间与航空航天环境适用温度对比。与传统窄、宽禁带半导体相比，β-Ga₂O₃ 具备极宽工作温区。右侧面板标注航空系统、电力电子、月球、水星、太空真空的典型温度范围。(b) N_A-N_D 参数空间输运示意图，总杂质浓度定义为 N_A+N_D，补偿比 K=N_A/N_D。彩色实线代表恒定补偿比（K=0.5、0.2、0.1、0.05），阴影区域用于可视化区分；黑色虚线代表恒定总杂质浓度（1000、500、100 ppm）。星标标记 S1、S2 样品对应参数位置。右上、右下插图分别展示 K→0.5 与 K→0 极限下的能带对齐示意图。(c) 低补偿样品 S1 变温正、反向偏置 I-V 曲线，低温下仍维持稳定反向阻断特性与二极管开启特性。(d) 高补偿样品 S2 变温 I-V 曲线，低温输运连续性更强，但反向击穿电压显著降低。

图 2. 霍尔测试与二极管表征揭示 β-Ga₂O₃ 宽温域电荷输运规律。四项关键输运参数随温度演化：霍尔测试提取载流子浓度 n（菱形）、迁移率 μ（圆形）；二极管测试提取导通电阻 Rₒₙ（星形）、开启电压 Vₒₙ（三角形）。(a) S1 样品在 T₁、T₂、T₃ 区间发生连续输运行为转变；三条竖直虚线标记特征转变温度（T₁≈80 K、T₂≈40 K、T₃≈15 K），对应主导导电机制的逐级切换。(b) S2 样品全部输运参数温度依赖性较弱，缺陷介导输运连续性更强，仅存在微弱机制转变信号，无 S1 中显著的多级输运切换行为。

图 3. S1、S2 样品电导率随温度变化曲线。S1 样品高温带导电（深绿色）随降温依次转变为近邻跳跃 NNH（浅绿色）、Mott 变程跳跃 Mott VRH（浅蓝色）、Efros-Shklovskii 变程跳跃 ES VRH（深蓝色）。各插图为对应区间对数拟合曲线，展示特征标度规律：带导电遵循阿伦尼乌斯规律 σ=σ₀ exp (-Eₐ/kT)；近邻短程跳跃 σ=σ₀ exp (-Eₕ/kT)；Mott 变程跳跃 σ=σ₀ exp [-(T₀/T)^1/4]；库仑间隙辅助隧穿 ES 变程跳跃 σ=σ₀ exp [-(T_ES/T)^1/2]。该标度规律证实降温过程中多种导电机制连续切换。与之相反，S2 样品电导率温度依赖性微弱，无清晰跳跃机制分级转变；仅可观测微弱近邻跳跃特征，拟合分析未出现 Mott、ES 变程跳跃信号，证明其输运由高密度局域态网络主导，全测试温域内缺陷介导导电连续稳定。

图 4. β-Ga₂O₃ 肖特基二极管磁场依赖 V-I 测试结果。(a) 0-8 T 磁场下，ES VRH 区间上方（上图，T=20 K）与 ES VRH 区间内（下图，T=5 K）归一化 V-I 曲线；电压轴为相对零场开启电压偏移量 ΔV，电流归一化至测试限流。仅 ES VRH 区间出现显著磁场响应，高温区间器件特性不受磁场影响。(b) 5 K 下，零场开启固定偏置处归一化电流随归一化磁场 H/H_c 变化曲线；临界磁场 H_c≈4 T 为磁场显著抑制二极管导通的阈值。(c) ES VRH 区间磁场诱导局域化机理示意图：库仑间隙两侧局域缺陷态构成跳跃网络；无外电场（左）时电子无法跨越库仑间隙实现跳跃；施加电场且磁场 H<H_c（中）时倾斜能级抵消库仑间隙，电子可沿跳跃长度 r_hop 隧穿；磁场超过 H_c（右）时磁长度 l_B 小于 r_hop，跳跃通路被阻断，ES VRH 导电行为淬灭。(d) 基于局域化调控输运的磁场响应型 β-Ga₂O₃ 器件概念示意图；磁场超过 H_c 时磁场诱导局域化自动限流，可用于低温、强场电子系统的磁场自适应防护器件。

DOI ： 

doi.org/10.1016/j.mtphys.2026.102170