【会员论文】SCIS丨西电郝跃院士、张进成教授、周弘教授等人团队：3.23 GW/cm² 功率优值与 0.69 V 导通电压的 β-Ga₂O₃ 异质结势垒肖特基二极管

        西安电子科技大学董鹏飞博士作为论文第一作者，郝跃院士、张进成教授、周弘教授等作为通讯作者/团队指导人，在学术期刊Science China-Information Sciences 发布了一篇名为3.23 GW/cm² power figure of merit and 0.69 V turn-on voltage β-Ga₂O₃ heterojunction barrier Schottky diodes with p-i-n junction termination（3.23 GW/cm² 功率优值与 0.69 V 导通电压的 β-Ga₂O₃ 异质结势垒肖特基二极管）的文章。

‌        Science China-Information Sciences‌ 是《中国科学：信息科学》英文版，由中国科学院、国家自然科学基金委员会主办，Science China Press 出版，是信息科学领域的一本高水平学术期刊。‌‌‌期刊主要发表信息科学各方向的原创研究与综述，涵盖计算机科学与技术、控制科学与工程、信息与通信工程、微电子与固体电子、量子信息等。被 SCIE、EI 等数据库收录；近年常被视为 JCR Q1 期刊，在国内计算机与信息通信领域具有较高认可度，最新影响因子：8.1。

        β-Ga₂O₃ 具有超宽禁带和高临界击穿电场等优势，在高压功率电子器件领域具有重要的应用潜力。然而，由于缺乏可靠的 p 型 β-Ga₂O₃ 材料，基于同质结的高性能双极型器件受到限制，因此，利用 p 型氧化物，特别是 NiOₓ，与 n 型 β-Ga₂O₃ 构建异质结，成为提升器件性能的一种可行方案。对于 β-Ga₂O₃ 异质结势垒肖特基二极管（HJBS），器件设计面临着击穿电压（BV）与导通电压（V_on）之间的权衡：提高器件的耐压能力通常需要增加有效势垒高度，但这也会增大正向导通损耗。为缓解这一矛盾，研究人员提出通过受主掺杂调控费米能级，在不显著提高导通电压的前提下改善器件的电压阻断能力。其中，氮（N）已被证明可作为 β-Ga₂O₃ 器件中的电流阻挡层，而理论研究进一步表明，双杂质共掺杂相较于单一杂质掺杂可能实现更有效的电子结构调控。基于此，该研究在 NiOₓ/β-Ga₂O₃ 异质结势垒肖特基二极管中引入 N/P 共掺杂形成的 p-i-n 结终端结构，并结合 p-NiOₓ 终端环，在阳极边缘构建具有电荷补偿作用的内部结，以调节局部电场分布、缓解边缘电场集中，从而在提高击穿电压的同时维持较低的正向导通电压和导通电阻，实现器件耐压能力与导通效率的协同提升。

        β-Ga₂O₃ 因其超宽带隙和高临界电场，在高压电力电子领域引起了广泛关注。然而，缺乏可靠的 p 型 β-Ga₂O₃ 从根本上限制了高性能双极器件的实现。采用 p 型氧化物（特别是 NiOₓ）的异质结结构提供了一条可行的途径，但这类结构往往在击穿电压（BV）与导通电压（V_on）之间存在权衡。

        本文成功制备了采用 N/P 共掺杂 p-i-n 结结构的 NiO/β-Ga₂O₃ HJBS 二极管。补偿掺杂区在保持较低正向导通损耗的同时，有效增强了电压阻断能力。该器件实现了 3.9 kV 的击穿电压（BV）和 4.75 mΩ·cm² 的 R_on,sp，对应的 P-FOM 为 3.23 GW/cm²。此外，在高达 150°C 的温度下仍保持稳定的电学特性，表明其具有出色的热性能。这些结果为同时提高 β-Ga₂O₃ 功率器件的击穿能力和导通效率提供了一种有效策略。

        本研究得到了国家自然科学基金（62222407,62421005）和广东省基础与应用基础研究基金（2023B1515040024）的资助。

图1 (a) 经N/P离子注入处理的横截面垂直 β-NiO/Ga₂O₃ HJBS 二极管的示意图。(b) 半径为 150 µm 的 Ga₂O₃ HJBS 二极管的测量 C–V 曲线及从中提取的 1/C²–V 曲线。(c) 线性刻度的 J–V 曲线和对数刻度的 R_on,sp。（d）对数刻度的 J–V 特性曲线及提取的理想因子。（e）对数刻度和（f）线性刻度的 T 依赖性 J_F–V_F 曲线，测量温度范围为 25°C 至 150°C，以 25°C 为步长。(g) 从 25°C 到 150°C 温度范围内提取的 V_on 值和 R_on,sp 值。(h) 温度范围为 25°C 至 150°C 时的温度依赖性理想因子和势垒高度特性。(i) 本文所研究器件（实线）与未进行离子注入终端处理的器件（虚线）的击穿特性。(j) 冯氏参数与 P-FOM 基准图，对比了本研究的 Ga₂O₃ HJBS 二极管与其他最先进的 Ga₂O₃ SBD 和 JBS 二极管。