西电郝跃院士、张进成教授、周弘教授团队：1.96 kV p-Cr₂O₃/β-Ga₂O₃异质结二极管，理想因子1.07

由西安电子科技大学的研究团队在学术期刊 Applied Physics Letters 发布了一篇名为 1.96 kV p-Cr₂O₃/β-Ga₂O₃ heterojunction diodes with an ideality factor of 1.07（1.96 kV p-Cr₂O₃/β-Ga₂O₃ 异质结二极管，理想因子达到 1.07）的文章。

1. 项目支持

该项研究国家自然科学基金委员会（NSFC）的支持和资助（Grant No. 62222407）。该研究还得到了广东省基础与应用基础研究基金的资助（Grant No. 2023B1515040024）。

2. 背景

β-Ga₂O₃ 作为超宽禁带半导体材料，具有约4.8 eV的带隙和 8 MV/cm 的临界击穿场强(E_c)，是高功率电子器件的重要材料。但目前仍缺乏可控的 p 型 Ga₂O₃，使得其在双极型器件发展上受限。为此，研究通常采用外部 p 型氧化物（如 NiO、Cu₂O、Cr₂O₃ 等）与 n 型 Ga₂O₃ 形成异质结结构（HJD）。其中，Cr₂O₃ 由于其热稳定性和宽带隙（~3.6 eV）而成为新兴候选材料，但其此前应用于 Ga₂O₃ 器件中尚未实现高击穿电压。研究即致力于通过 p-Cr₂O₃/n-Ga₂O₃ 异质结结构实现高电压、低泄漏、稳定性的二极管器件。

3. 主要内容

该文章报道了一种具备千伏级击穿电压（BV）的 p-Cr₂O₃/n-Ga₂O₃ 垂直异质结二极管（HJD）。其中，p 型氧化铬（Cr₂O₃）薄膜通过磁控溅射沉积而成，厚度约为 20 nm，空穴浓度为 1 × 10¹⁶cm⁻³。高分辨透射电子显微镜（HRTEM）表征显示，Cr₂O₃ 薄膜呈多晶结构。在室温条件下，器件（半径 40 μm）表现出 1.7 V 的开启电压（V_on）、4.6 mΩ·cm² 的单位面积导通电阻（R_on,sp），以及高达 1.96 kV 的击穿电压。尤其值得注意的是，该器件的理想因子（η）为 1.07，是目前所有已报道 Ga₂O₃ 异质结二极管中最接近理想值 1 的，表明其 p-Cr₂O₃/n-Ga₂O₃ 异质结界面质量极高。此外，在 75 °C 和 150 °C 条件下，该器件仍保持分别为 1.63 kV 和 1.4 kV 的击穿电压，显示出良好的高温稳定性和高功率应用潜力。

4. 创新点

·首次实现理想因子极低（1.07）的 Ga₂O₃ 异质结二极管，表明界面缺陷极低、传输接近理想热发射机制。

·20 nm 厚 Cr₂O₃ 即实现 1.96 kV 击穿电压与低泄漏电流，展现出极佳的电场调控效果。

·无需边缘终止结构即可获得高击穿特性，简化器件结构设计。

·在 150 °C 下仍维持 1400 V 的击穿电压，适用于高温应用场景。

5. 总结

该团队已制造出了具有千伏级 BV 和 1.07 的超低 η/neth 的 p-Cr₂O₃/n-Ga₂O₃ HJD。半径为 40μm 的二极管实现了 835 MW/cm² 的 P-FOM，R_on,sp 为 4.6 mΩ·cm²，BV 为 1.96 kV，低 I_R < 10 μA/cm²。在 75 和 150 °C 时，BV 值分别为 1.63 和 1.40 kV。出色的 HJ 接触界面、结晶材料质量和高温可靠性使 p-Cr₂O₃ 成为一种很有前途的材料，可用于基于 Ga₂O₃ 的中压和高压器件。

6. 图片示例

图 1. (a) 垂直 p-Cr₂O₃/n- β-Ga₂O₃ HJD 的二维横截面示意图。(b) HJD 的 HRTEM 图像，以及 (c) Cr₂O₃/ Ga₂O₃ 界面的 HRTEM 图像，右侧放大的插图描述了晶格结构图像，显示了 Cr₂O₃ 的多晶结构。(d) (b) 中虚线框区域的 EDS 元素分析结果。(e) 在蓝宝石衬底上制备的 20 nm Cr₂O₃ 薄膜的 HRXRD 2θ-ω 光谱。

图 2. (a) HJD 的 C-V 和 1/C² -V 特性，提取的 V_bi 为 2.20 V。

DOI：

doi.org/10.1063/5.0248187

本文转发自《亚洲氧化镓联盟》订阅号