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【国内论文】南京大学研究团队——赋予氧化镓雪崩能力
日期：2024-01-26阅读：226
将Ga2O3与NiO结合可生产出适用于恶劣环境的强大电力电子器件
先进的功率器件是在电动汽车、数据中心、电网和可再生能源处理等众多应用中实现高效能源转换的重要组成部分。要使这些设备达到更高的性能水平，最终的驱动力是半导体材料的选择。过去十年间，GaN和SiC等宽禁带半导体取得了成功。与硅相比，这些替代品提高了标准。但是，利用 Ga2O3、金刚石和AlN等超宽带隙半导体的卓越优势，更令人印象深刻的设备即将问世。
无论使用何种材料，功率器件的主要功能都是在高阻断电压和高导通电流之间进行切换。基于这一要求，任何功率器件都必须具备处理过压和过流情况的能力。凭借这一特性，功率器件可以在电力系统中暂时经受常见故障，例如短路、过载或电弧/接地故障，然后在保护电路介入之前恢复正常。
传统上，雪崩和浪涌电流能力是通过同质 p-n 结实现的。然而，在基于超宽禁带半导体的功率器件中，这种结构已被证明是难以实现的，因为要实现双极掺杂具有极大的挑战性，而双极掺杂是制作同质结的必要条件。
应对这一挑战的方法之一是将p 型氧化物（如NiO）与 n 型 Ga2O3 进行异质集成。我们南京大学就采用了这种方法。早在2020年，已突破性地研制出了首个双层 p-NiO/n-Ga2O3 异质结功率整流器。这一创新提高了反向阻断能力达到1.86kV，并确保在高达440K的温度下稳定运行。在此基础上，我们制造出基于 β-Ga2O3的双极功率器件，将大电流输出、快速反向恢复和纳秒级开关结合在一起。这一基础使我们在应对Ga2O3器件中最关键的雪崩和浪涌稳定性挑战处于有利地位。
在最近的课题中，我们与弗吉尼亚理工大学的张宇昊团队携手合作。通过创新的器件设计和电路评估，我们在 NiO/Ga2O3 p-n 异质结中实现了卓越的雪崩和浪涌电流稳健性。
图 1. (a) 制作的 NiO/Ga2O3 异质结二极管的三维示意图。(b) 带有 BaTiO3 介电层的器件的模拟面内电场轮廓。(c) 异质结二极管随温度变化的反向电流-电压特性。(d) 电感为 1mH 时 Ga2O3 异质结二极管典型的随温度变化的非钳位电感开关电压和电流波形。(e) 异质结二极管和参考 Ga2O3 肖特基势垒二极管的浪涌电流-电压位置。(f) Ga2O3 异质结二极管、参考Ga2O3肖特基势垒二极管和商用硅快速恢复二极管的反向恢复特性。
雪崩结构
对于功率器件而言，管理电场拥挤和防止过早击穿至关重要。通过合作，我们开发出了一种免蚀刻边缘终止技术，其特点是小角度斜面双层氧化镍结终止扩展（见图 1 (a)），从而解决了这一问题。我们使用具有超高电介质的非晶态 BaTiO3 层，以一致的方式覆盖 NiO 结端接扩展结构。引入这种超高介电质可确保 NiO/Ga2O3 结处的电场接近均匀，并最终实现均匀而稳健的雪崩（见图 1 (b)）。为了进行电路测试，我们在 TO-220 封装中安装了一个大面积（3 mm x 3 mm）NiO/ Ga2O3 p-n 异质结器件。
具有雪崩功能的功率器件可承受过点压应力。此类器件能够在雪崩击穿电压下承受高雪崩电流，并在电路中耗散过多能量。制作的NiO/Ga2O3 异质结器件通过准静态电流-电压扫描和动态非钳位电感开关电路测试等严格测试。这些研究表明，雪崩击穿电压随温度升高而增加（见图 1 (c)），温度系数为 1 V/°C - 这是器件雪崩的典型表现。根据非钳位电感开关电路测试，我们的器件会产生教科书般的雪崩波形（见图 1 (d)）。此外，从非钳位电感开关波形中提取的雪崩击穿电压温度系数与从电流-电压特性中提取的温度系数完全相同。
通过 100 万次重复雪崩测试，进一步验证了器件稳健的雪崩能力。与传统的同质 p-n 结相比，证明我们的超宽禁带异质结在功率应用方面具有卓越的性能和稳健性。
图 2. (a) 雪崩条件下的能带图和载流子传输动力学示意图。(b) 雪崩电流为 30 A 时，在两种不同的空穴迁移率条件下，异质结二极管中电子和空穴浓度、电场和生成率的模拟曲线。(d) 大正向电流下的载流子传输动态图示。(e) 在 6 V 正向电压下，异质结二极管两侧少数载流子的模拟分布。
除雪崩功能外， NiO/Ga2O3 异质结还具有出色的浪涌电流能力，可承受 50 A 以上的浪涌电流。与肖特基势垒二极管形成鲜明对比的是，我们的异质结器件的浪涌电流波形呈现出逆时针定位特征，这表明差分导通电阻的温度系数为负（见图 1 (e)）。令人惊讶的是，我们的异质结器件的 1200 V 反向恢复时间达到了纳秒级（图 1 (f)）--这与单极 Ga2O3 肖特基势垒二极管相似，远远快于双极硅快速恢复二极管。基于这些结果，与传统的双极器件相比，我们的 NiO/Ga2O3 异质结似乎可以同时降低传导损耗和开关损耗。
极端条件下的运行
得益于在雪崩和浪涌方面的突破，我们得以深入研究这些超宽带隙半导体异质结在极端条件下的基本载流子动力学细节。这包括高电场、高电流密度、高温和非平衡动态条件。
雪崩行为的实现取决于结点处发生的撞击电离和倍增，以及有效清除撞击电离产生的非平衡载流子。如图 2 (a) 所示，一旦在 n 型 Ga2O3 漂移层中启动了撞击电离，强电场就会将这种相互作用产生的电子和空穴分别扫向阴极和异质结。由于具有交错的带状结构，NiO/Ga2O3 异质结不会产生空穴传输障碍。
雪崩行为的实现取决于在结的位置发生的冲击电离和倍增，以及高效去除由冲击电离产生的非平衡载流子。如图2（a）所示，一旦在n型Ga2O3漂移层中启动冲击电离，强电场将由此相互作用产生的电子和空穴分别席卷到阴极和异质结。由于阶梯状的能带结构，NiO/Ga2O3异质结不会产生空穴传输障碍。
我们对器件的行为进行了模拟。计算表明，在Ga2O3中由冲击电离产生的空穴不会产生有争议的自陷困扰，并且具有相当大的迁移率 - 正是这使得高雪崩电流成为可能。动态雪崩特性还使我们能够提取Ga2O3中的完整一组电子和空穴冲击电离系数，这对于开发可用于多种应用的日盲雪崩光电探测器非常重要。
NiO/Ga2O3异质结具有强大浪涌能力的另一个优势是为Ga2O3中的少数载流子（空穴）传输提供了新的视角，而这一领域仍在很大程度上尚未得到探索。我们与澳大利亚国立大学的研究人员合作，利用电子束诱导的微观电流对 NiO/Ga2O3 异质结二极管中的少数载流子动态进行成像（见图 2 (c)）。该技术揭示了对p-NiO中电子和 Ga2O3 中空穴的不对称少数载流子寿命，分别为 124.0 ns 和 6.2 ns。基于这些数值，我们预计在高正向偏置下主要通过电子隧道注入，p-NiO中将主要发生双极电导调制（如图2（d）和2（e）所示）。当该器件关闭时，主要在轻掺杂的Ga2O3中发生耗尽。由于在p-NiO中需要重新组合的少数载流子很少，因此这对器件反向恢复的影响微乎其微。
图 3.（a）雪崩时的电场与雪崩阻断电压基准；（b）浪涌能量与反向恢复时间 (trr) 基准，均为已报告的 Ga2O3、GaN、SiC 和硅功率二极管。
性能基准
NiO/Ga2O3异质结通过将低导通电阻与高电流容量和高阻塞电压相结合，从而树立了新的性能基准。如图 3 (a) 所示，浪涌电流和浪涌能量容量都超过了硅器件，并且与报告的SiC和GaN器件的最佳性能相当。值得注意的是，我们的异质结克服了传统同质结中稳定性和开关速度之间的基本平衡（见图3（b）），为推动功率应用中的超宽禁带器件的发展开辟了道路。
除了在功率电子领域的机会之外，我们的创新型超宽禁带异质结构架构具有雪崩耐性，对于在深紫外光谱范围内实现超低噪声雪崩光电探测器具有巨大潜力。预计这类设备有望突破响应度和响应速度之间的基本平衡，有望在光电子学和光子学领域产生深远影响。
原文链接：https://compoundsemiconductor.net/article/118204/Giving_gallium_oxide_avalanche_capability
