【国内论文】浙江大学---具有高温工作能力的3.9 kV垂直β-Ga₂O₃异质结二极管

        浙江大学电气工程学院电力电子器件实验室（PEDL）盛况教授与王珩宇研究员所带领的研究团队在本次 ISPSD 2025 学术会议上发表了一篇名为 3.9 kV Vertical β-Ga₂O₃ Hetero-Junction Diode With High-Temperature Operational Capability（具有高温工作能力的 3.9 kV 垂直 β-Ga₂O₃ 异质结二极管）的文章。

        本研究部分由中国浙江省自然科学基金（Grant No. LZ25E070001）资助，部分由台达电力电子科教发展计划（Grant No. DREG2023001）资助。作者感谢浙江大学微纳加工中心与西湖大学微纳制造中心在器件制备过程中提供的设施支持和技术协助。

        β-氧化镓（β-Ga₂O₃）作为超宽禁带半导体，是制造下一代高压、高效功率器件的理想材料。垂直结构的功率器件能够承受更高的电流和电压，是高功率应用的首选结构。其中，垂直结构的二极管是基本构建模块。由于 β-Ga₂O₃ 缺乏有效的 p 型掺杂，通常采用 p 型 NiO 与 n 型 Ga₂O₃ 构建异质结来代替传统的 PN 结。对于高压器件而言，终端技术至关重要。它用于缓解器件边缘的电场集中效应，防止器件在远低于材料理论击穿极限的电压下过早击穿。结终端扩展是一种有效的终端技术。通过在主结外围引入一个或多个低掺杂的区域，可以有效地扩展电场，提高器件的耐压能力。设计更先进、更易于制造的 JTE 结构，对于充分发挥 Ga₂O₃ 材料的高压潜力至关重要。

        本研究提出了一种垂直β相氧化镓（β-Ga₂O₃）异质结二极管（HJD），其采用自对准多区结终止扩展（SA-MZJTE）结构，实现了 3.9 kV 的击穿电压。SA-MZJTE 仅需在 3 层 NiO 单区结终止扩展（JTE）器件沉积后，额外进行一次自对准刻蚀工艺。三层 NiO 结构旨在协同优化电荷分布与击穿场分布（NiO 的击穿场与掺杂水平密切相关），以充分利用 NiO 基 JTE 的阻挡潜力。制备的 SA-MZJTE HJD 展现出 3.9 kV 的击穿电压，且 JTE 长度达 20 μm。比导通电阻测得为 3.5 mΩ·cm²，从而获得功率性能指标（PFOM）为 4.3 GW/cm²。此外，SA-MZJTE HJD 在高温下仍保持优异的阻断能力，在 175 °C 时击穿电压超过 3,000 V。这种卓越的高温阻断能力使其能够在恶劣条件下运行。还制备了中等面积器件，其重复阻断能力可达 2600 V。SA-MZJTE HJD 的性能在已报道的千伏级 Ga₂O₃ 二极管中名列前茅。这些结果表明，SA-MZJTE 是中高压、高温 Ga₂O₃ 功率应用中有效且有前景的终止解决方案。

图1. (a) SA-MZJTE HJD的三维示意图。 (b) SA-MZJTE HJD的C-V和1/C²-V特性曲线，测量频率为100 kHz。 (c) 制备的SA-MZJTE HJD中提取的净掺杂浓度与深度的关系曲线。

图2. (a) SA-MZJTE HJD的详细工艺流程。 (b) 本工作中使用的溅射NiO的工艺参数。不同参数下NiO的C-V和1/C²-V特性： (c) NiO #2，(d) NiO #3，两者均在100 kHz频率下测量。