由西安電子科技大學的研究團隊在學術期刊 Applied Physics Letters 發布了一篇名為 1.96 kV p-Cr₂O₃/β-Ga₂O₃ heterojunction diodes with an ideality factor of 1.07（1.96?kV p-Cr₂O₃/β-Ga₂O₃ 異質結二極管，理想因子達到 1.07）的文章。

1. 項目支持

該項研究國家自然科學基金委員會（NSFC）的支持和資助（Grant No. 62222407）。該研究還得到了廣東省基礎與應用基礎研究基金的資助（Grant No. 2023B1515040024）。

2. 背景

β-Ga₂O₃ 作為超寬禁帶半導體材料，具有約4.8 eV的帶隙和 8 MV/cm 的臨界擊穿場強(E_c)，是高功率電子器件的重要材料。但目前仍缺乏可控的 p 型 Ga₂O₃，使得其在雙極型器件發展上受限。為此，研究通常采用外部 p 型氧化物（如 NiO、Cu₂O、Cr₂O₃ 等）與 n 型 Ga₂O₃ 形成異質結結構（HJD）。其中，Cr₂O₃ 由于其熱穩定性和寬帶隙（~3.6 eV）而成為新興候選材料，但其此前應用于 Ga₂O₃ 器件中尚未實現高擊穿電壓。研究即致力于通過 p-Cr₂O₃/n-Ga₂O₃ 異質結結構實現高電壓、低泄漏、穩定性的二極管器件。

3. 主要內容

該文章報道了一種具備千伏級擊穿電壓（BV）的 p-Cr₂O₃/n-Ga₂O₃ 垂直異質結二極管（HJD）。其中，p 型氧化鉻（Cr₂O₃）薄膜通過磁控濺射沉積而成，厚度約為 20?nm，空穴濃度為 1 × 10¹⁶cm⁻³。高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）表征顯示，Cr₂O₃ 薄膜呈多晶結構。在室溫條件下，器件（半徑 40 μm）表現出 1.7?V 的開啟電壓（V_on）、4.6 mΩ·cm² 的單位面積導通電阻（R_on,sp），以及高達 1.96?kV 的擊穿電壓。尤其值得注意的是，該器件的理想因子（η）為 1.07，是目前所有已報道 Ga₂O₃ 異質結二極管中最接近理想值 1 的，表明其 p-Cr₂O₃/n-Ga₂O₃ 異質結界面質量極高。此外，在 75?°C 和 150?°C 條件下，該器件仍保持分別為 1.63?kV 和 1.4?kV 的擊穿電壓，顯示出良好的高溫穩定性和高功率應用潛力。

4. 創新點

·首次實現理想因子極低（1.07）的 Ga₂O₃ 異質結二極管，表明界面缺陷極低、傳輸接近理想熱發射機制。

·20 nm 厚 Cr₂O₃ 即實現 1.96 kV 擊穿電壓與低泄漏電流，展現出極佳的電場調控效果。

·無需邊緣終止結構即可獲得高擊穿特性，簡化器件結構設計。

·在 150 °C 下仍維持 1400 V 的擊穿電壓，適用于高溫應用場景。

5. 總結

該團隊已制造出了具有千伏級 BV 和 1.07 的超低 η/neth 的 p-Cr₂O₃/n-Ga₂O₃ HJD。半徑為 40μm 的二極管實現了 835 MW/cm² 的 P-FOM，R_on,sp 為 4.6 mΩ·cm²，BV 為 1.96 kV，低 I_R < 10 μA/cm²。在 75 和 150 °C 時，BV 值分別為 1.63 和 1.40 kV。出色的 HJ 接觸界面、結晶材料質量和高溫可靠性使 p-Cr₂O₃ 成為一種很有前途的材料，可用于基于 Ga₂O₃ 的中壓和高壓器件。

6. 圖片示例

圖 1. (a) 垂直 p-Cr₂O₃/n- β-Ga₂O₃ HJD 的二維橫截面示意圖。(b) HJD 的 HRTEM 圖像，以及 (c) Cr₂O₃/ Ga₂O₃ 界面的 HRTEM 圖像，右側放大的插圖描述了晶格結構圖像，顯示了 Cr₂O₃ 的多晶結構。(d) (b) 中虛線框區域的 EDS 元素分析結果。(e) 在藍寶石襯底上制備的 20 nm Cr₂O₃ 薄膜的 HRXRD 2θ-ω 光譜。

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

DOI：

doi.org/10.1063/5.0248187

本文轉發自《亞洲氧化鎵聯盟》訂閱號