中山大學(xué)王鋼教授團(tuán)隊(duì)在NiO/β-Ga?O?異質(zhì)結(jié)在功率器件領(lǐng)域的研究進(jìn)展

功率器件常用于開關(guān)控制和大功率電路驅(qū)動(dòng)，在多種場合中具有廣泛的應(yīng)用。隨著電動(dòng)汽車、5G網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的快速發(fā)展，硅基器件逐漸達(dá)到了其物理極限，傳統(tǒng)的硅基功率器件已難以滿足許多超高功率應(yīng)用的需求。

寬禁帶半導(dǎo)體材料氧化鎵（β-Ga2O3）具有約4.8 eV的禁帶寬度、高達(dá)8 MV/cm的臨界電場、約3000的巴利加優(yōu)值系數(shù)（BFOM）、可用熔融法生長等優(yōu)秀的性質(zhì)，是制備下一代功率器件的潛力材料。通過硅或錫摻雜，β-Ga2O3可以實(shí)現(xiàn)濃度在1015-1019cm-3范圍內(nèi)可調(diào)的N型導(dǎo)電。然而，由于較大的受主雜質(zhì)激活能和空穴自陷能，實(shí)現(xiàn)β-Ga2O3的P型導(dǎo)電是非常困難的，這也成了β-Ga2O3同質(zhì)雙極型器件發(fā)展的主要阻礙。雙極型結(jié)構(gòu)通常具有低漏電流、高熱穩(wěn)定性和良好的抗浪涌能力，在功率器件設(shè)計(jì)中有著廣泛應(yīng)用。

為了實(shí)現(xiàn)β-Ga2O3雙極型器件，一個(gè)可行的方法是使用P型半導(dǎo)體材料如氧化錫（SnO）、氧化亞銅（Cu2O）、氧化鎳（NiO）等與N型β-Ga2O3構(gòu)建異質(zhì)結(jié)，而NiO以其3.6-4.0 eV的大禁帶寬度和可控的P型摻雜，成為其中的主流選擇。2020年，Lu等人報(bào)道了用濺射法制備的NiO薄膜和β-Ga2O3構(gòu)建的異質(zhì)結(jié)，實(shí)現(xiàn)了第一個(gè)具有千伏級擊穿電壓的β-Ga2O3雙極型器件。隨后，許多研究人員在提升NiO/β-Ga2O3異質(zhì)pn結(jié)性能等方面取得了顯著進(jìn)展。此外，NiO/β-Ga2O3異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)也被廣泛用于其它器件結(jié)構(gòu)，如結(jié)勢壘肖特基二極管（JBS）、結(jié)場效應(yīng)晶體管（JFET）和邊緣終端（ET）結(jié)構(gòu)等。

近日，中山大學(xué)盧星副教授、王鋼教授團(tuán)隊(duì)總結(jié)了NiO/β-Ga2O3異質(zhì)結(jié)在功率器件領(lǐng)域的研究進(jìn)展，并對其未來的發(fā)展做出了展望。綜述從NiO/β-Ga2O3異質(zhì)結(jié)的構(gòu)建、表征和器件性能三個(gè)方面展開，討論了濺射法制備的NiO/β-Ga2O3異質(zhì)結(jié)的結(jié)晶性質(zhì)、能帶結(jié)構(gòu)和載流子運(yùn)輸特性，并介紹了包括NiO/β-Ga2O3異質(zhì)pn結(jié)二極管（HJD）、結(jié)勢壘肖特基二極管、結(jié)場效應(yīng)晶體管和基于NiO/β-Ga2O3異質(zhì)結(jié)的邊緣終端結(jié)構(gòu)及超結(jié)（SJ）結(jié)構(gòu)在內(nèi)的多種器件結(jié)構(gòu)的最新進(jìn)展。此外，文中還針對NiO/β-Ga2O3異質(zhì)結(jié)實(shí)際應(yīng)用中存在的如材料質(zhì)量、器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化、界面態(tài)和器件可靠性等關(guān)鍵問題進(jìn)行了總結(jié)和展望。

該綜述總結(jié)了NiO/β-Ga2O3異質(zhì)結(jié)在功率器件領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀，為之后設(shè)計(jì)高性能的NiO/β-Ga2O3異質(zhì)結(jié)器件提供了參考，對β-Ga2O3雙極型器件未來的發(fā)展起到了積極的作用。

圖1 NiO/β-Ga2O3異質(zhì)結(jié)功率器件發(fā)展里程碑。

該文章以題為“Recent advances in NiO/Ga2O3heterojunctions for power electronics”發(fā)表在Journal of Semiconductors上。