【会员论文】西电郝跃院士、韩根全教授团队：通过空间电荷调制实现高可靠氧化镓异质PN二极管

        西安电子科技大学郝跃院士、韩根全教授团队在学术期刊 IEEE Transactions on Electron Devices 发表了题为 Reliability Enhancement of Ga₂O₃ Heterojunction Diodes Due to Space-Charge Modulation（空间电荷调制引起的氧化镓异质结二极管可靠性增强）的研究论文。

        超宽禁带半导体 β-Ga₂O₃ 凭借约 4.9 eV 的禁带宽度和约 8 MV/cm 的理论临界电场，是下一代超高压、大功率电力电子器件的理想候选材料。p-NiO/n-Ga₂O₃ 异质结二极管（HJD）因兼具优异的漏电抑制能力与高温稳定性而备受关注。然而，随着器件不断向高电压、大电流等极端工况拓展，高正向偏压应力下的长期稳定性已成为制约其性能充分释放的关键瓶颈。当前，关于界面偶极子、电荷陷阱及镓空位（VGa）演化等退化起源仍存在广泛争议。因此，深入揭示 Ga₂O₃ 异质 pn 二极管在高应力下的退化、恢复与自稳定性物理机制，对突破氧化镓功率器件的可靠性瓶颈具有重要意义。

        1. 长时间正向电应力可激活电荷自补偿机制，实现器件特性的恢复与性能增强：通过评估器件在 Vstress=8 V 正向电应力下的演化过程发现，短时应力（≤50 s）会导致器件性能明显下降；当应力时间延长至 200–1000 s 后，器件特性不仅恢复，理想因子 n 更由初始的 1.08 优化至 1.03。这一结果表明，持续高应力触发的并非简单自然恢复，而是一个能够改善器件特性的电荷补偿过程。

        2. 性能增强源于氧化镓体内 VGa 捕获电子与 OI 位点空穴自陷共同作用的双阶段自补偿空间电荷调制：结合空间电荷限制电流（SCLC）、动态二次离子质谱（D-SIMS）、电容-电压（C–V）及变温 Arrhenius 分析表明：在 CT-I 阶段，深受主型 VGa 捕获电子，并在近界面约 100 nm 的 Ga₂O₃ 体内形成负空间电荷，提取的陷阱激活能 EA≈0.16 eV；进入 CT-II 阶段后，由 p-NiO 层注入的空穴在邻近 OI 位点发生自陷，产生局域正电荷并逐步中和先前积累的负空间电荷。

        3. 自补偿形成的电荷平衡状态具有高长期稳定性，并能有效维持器件反向耐压能力：完成 CT-II 后，器件在 10,000 s 静态恢复以及第二轮正向与 −800 V 反向高应力下均保持参数高度稳定。同时，平均击穿电压由初始 992 V 在 CT-I 阶段降至 875 V 后，于 CT-II 阶段恢复至 938 V，仅残留约 5.4% 的降幅，表明空间电荷自补偿在抑制应力不稳定性的同时，对反向击穿性能的影响较小。

        ①首次揭示正向高应力下连续的双阶段电荷捕获（CT）过程：在持续强正向偏压应力下，首次观测并证实两个连续且作用相反的电荷捕获过程。该过程由相反的 SCLC 行为所表征，揭示了器件由短时退化向长时恢复与增强的动态演变。

        ②揭示基于本征深受主 VGa 缺陷与 OI 位点自陷空穴的空间电荷调制新物理：结合 D-SIMS 与 C–V 分析，阐明了 CT 过程的微观物理图像：负电荷首先在距界面约 100 nm 的 Ga₂O₃ 体内深受主 VGa 状态积累，随后由注入空穴在邻近 OI 位点的自陷作用实现中和。

        ③证实完成双阶段 CT 可有效抑制退化并显著增强器件长期可靠性：两个 CT 过程完成后，可建立稳定的自补偿空间电荷平衡状态，有效抑制后续电应力下的器件退化，并显著提升长期稳定性。该结果揭示了氧化镓基 p-n 异质结中新的可靠性物理，并为充分释放氧化镓功率器件的高性能潜力提供了实用指导。

        本研究表明，利用本征深能级镓空位（VGa）状态进行空间电荷调制，可显著提升 Ga₂O₃ 异质 PN 二极管的长期稳定性。电学测试与 D-SIMS 分析表明，该稳定性提升源于两个连续电荷捕获（CT）过程：首先，负电荷在距界面约 100 nm 的 Ga₂O₃ 体内深能级 VGa 状态中积累；随后，在带电 VGa 诱导作用下，注入空穴在邻近氧位点（OI）发生自陷，并逐步中和先前积累的负空间电荷。两个过程共同在氧化镓体内近界面区域建立起自补偿的 VGa 相关空间电荷平衡状态，有效抑制应力诱导退化并显著增强器件稳定性。本工作揭示了氧化镓基 PN 异质结中一种新的偏压诱导可靠性物理机制，并为高可靠性 Ga₂O₃ 功率器件的缺陷与空间电荷调控提供了新的技术路径。

        本研究得到国家自然科学基金（项目编号：62293522、62504032）以及陕西省科技厅重点项目（项目编号：2024CY2-GJHX-81）的支持。

图 1：(a) p-NiO/n-Ga₂O₃ HJD 结构示意图；(b)–(c) 不同正向偏压应力（1–8 V，t_stress=10 s）及 1000 s 恢复后的半对数/线性 J–V 特性；(d)–(f) V_on、V_F、R_ON,sp 与理想因子 n 随 V_stress 的演化。

图 2：(a)–(b) 新鲜器件及 V_stress=8 V、不同应力时间下的 J–V 演化；(c)–(f) I_ON、V_F/V_on、R_ON,sp 与理想因子 n 随累计应力时间的变化，展示 CT-I（退化）与 CT-II（恢复/增强）两个阶段。

图 3：(a) 不同 CT 状态下的 SCLC 特性；(b) CT-I 瞬态拟合时间常数的 Arrhenius 关系，提取陷阱激活能 E_A≈0.16 eV。

图 4：(a) Pristine、CT-I 与 CT-II 状态下 HJD 中 Ga/O 的归一化 D-SIMS 深度剖面；(b) HJD 与无 NiO 的 SBD 在相同状态下由 1 MHz C–V 提取的 |N_d−N_a|–W 分布，显示约 100 nm 的空间电荷调制深度及 HJD 更充分的 CT-II 恢复。

图 5：完成 CT-II 后 HJD 的稳定性验证：(a) 10,000 s 长期恢复；(b)–(d) 第二轮正向应力下的 J–V、V_F/V_on、R_ON,sp 与 n；(e) −800 V 反向应力；(f) Pristine、CT-I 与 CT-II 三种状态下的击穿特性及统计。

DOI: 

10.1109/TED.2026.3723573