南方科技大學于洪宇教授、汪青教授共同合作在學術期刊 Journal of Alloys and Compounds 發布了一篇名為 2.86-kV Vertical Cu₂O/Ga₂O₃ Heterojunction Diodes with Stepped Double-layer Structure（2.86 kV 階梯狀雙層結構的垂直型 Cu₂O/Ga₂O₃ 異質結二極管）的文章 。

1. 項目支持

本研究得到國家自然科學基金委員會（NSFC）、廣東省基礎與應用基礎研究基金委和深圳市科技創新委員會的資助。

2. 背景

β-Ga₂O₃ 由于其高擊穿電場（8 MV/cm）和高禁帶寬度（4.5-4.8 eV）以及可大尺寸晶體生長的特性，成為下一代高壓功率器件的有力候選者。然而，由于其價帶結構平坦、空穴有效質量大和自束縛空穴等問題，β-Ga₂O₃ 難以實現 p 型摻雜，限制了其在雙極型器件中的應用。因此，嘗試引入 p 型氧化物半導體（如Cu₂O、NiO、SnO等）與 n 型 Ga₂O₃ 構建異質結二極管（HJDs）以解決該問題。 Cu₂O 作為典型 p 型氧化物，具有優異的遷移率、熱穩定性及可調控空穴濃度，是構建 HJDs 的理想材料之一，但目前關于 Cu₂O/Ga₂O₃ 異質結器件研究較少。

3. 主要內容

研究團隊提出了一種具有階梯狀雙層結構（SDL）的 Cu₂O/Ga₂O₃ 異質結二極管（HJD-SDL），通過調控 p?/p? Cu₂O 層的空穴濃度差異，實現對器件內電場的有效優化分布，實現了高達2.86 kV 的擊穿電壓和 1.01 GW/cm² 的PFOM值。TCAD 仿真結果表明，SDL 結構有效抑制了陽極邊緣的峰值電場，并將其轉移至器件內部，從而提升了器件耐壓能力。器件在高達 473 K 溫度下仍穩定工作，溫度依賴性 I–V 分析揭示了陷阱輔助傳輸的抑制和載流子遷移率隨溫度升高的變化。此外，利用頻率依賴電容–電導測試提取了界面態缺陷密度，結果表明 SDL 結構可降低淺能級范圍的缺陷密度，反映出優異的界面質量。

4. 結論

本文成功制備出具有階梯狀雙層結構的 Cu₂O/Ga₂O₃ 異質結二極管，不依賴終端結構即可實現 2.86 kV 的優異擊穿電壓和 8.1 mΩ·cm² 的低導通電阻，從而獲得了超過 1.0 GW/cm² 的高功率性能指標，其綜合性能居于現有 Cu₂O/Ga₂O₃ 異質結二極管器件之首。通過 SDL 結構的引入，不僅優化了電場分布，還提升了器件的熱穩定性和可靠性。仿真分析驗證該結構有效地將峰值電場從陽極邊緣引導至器件體內，顯著提高了耐壓能力。同時，頻率依賴電容和電導測試進一步說明了 SDL 結構對 Cu₂O/Ga₂O₃ 界面質量的改善。本研究提供了一種簡潔高效的異質結構設計方案，為實現高壓、高可靠性的 Ga₂O₃ 功率電子器件奠定了理論和實驗基礎，具有重要的科研與產業化應用前景。

圖1. (a) Cu₂O/Ga₂O₃ HJD-SDL 和 SBD 的截面示意圖. (b)詳細的器件制作過程。(c)所制備的 HJD-SDL 的 STEM 圖像和(d)器件光學顯微鏡圖像。(e) Cu₂O的UPS光譜。(f)熱平衡時 p-Cu₂O/n-Ga₂O₃ 異質結能帶圖。(g) p⁺ Cu₂O層和p^- Cu₂O 層的XRD 譜圖。

圖2. HJD-SDL 和 SBD的正向 I-V 特征(a)在線性尺度上與提取的 R_on,sp 和(b)在對數尺度上。(c) HJD-SDL 和 SBD的反向I-V特征。(d)最新報道的 Ga₂O₃ 二極管的 R_on,sp 與 BV 的基準圖。

DOI：

doi.org/10.1016/j.jallcom.2025.181672

本文轉發自《亞洲氧化鎵聯盟》訂閱號