西安电子科技大学郝跃院士、张进成教授、周弘教授等首次发现并证实了在氧化镓异质PN结二极管中存在显著的空穴超注入效应。基于该效应，研制出一种超高压p-NiO/n-Ga2O3半导体异质结二极管，利用空穴超注入效应显著降低了低掺杂n型氧化镓材料的导通电阻，从而实现了兼具超高耐压和极低导通电阻的氧化镓功率二极管，功率优值高达13.2 GW/cm2，是截止目前氧化镓半导体器件的最高值。相关成果以《Ultra-wide bandgap semiconductor Ga2O3 power diodes》为题发表于国际期刊《自然?通讯》(Nature Communications)。

图1. 超宽禁带半导体氧化镓功率二极管研究成果发表于Nature Communications。

氧化镓(β-Ga2O3)是超宽禁带半导体的典型代表，禁带宽度高达~4.8 eV，临界击穿场强高达~8 MV/cm，是研制高耐压、大功率和高能效电子器件的理想半导体材料之一，可使半导体功率器件同时实现高耐压、低功耗和低成本三重优势，在电能传输转换、电动汽车、高铁等领域具有重大应用前景。与当前产业界火热的第三代半导体GaN和SiC相比，Ga2O3功率器件在相同耐压情况下具有更低的导通电阻，可实现更低的功耗和更高的转换效率。因此，近年来，氧化镓半导体已成为半导体国际研究热点和大国技术竞争制高点。

Ga2O3由于缺乏浅能级受主杂质并且价带较平，导致p型掺杂难和空穴迁移率低，氧化镓功率器件中载流子双极输运及其电导调制效应始终没有实现，这是制约氧化镓功率器件性能进一步提升的关键瓶颈。为此，本文构筑了一种新型p-NiO/n-Ga2O3异质型PN结二极管结构，如图2(a)。一方面，通过将PN异质结、镁注入终端、高k/低k泊松终端场板等相复合，利用高温热退火抑制非故意掺杂，使器件峰值电场强度得到极大的削弱，如图2(b)，为高耐压氧化镓器件发展开拓了新技术途径，实现了8.3 kV的超高耐压，如图2(c)。另一方面，得益于低导带带阶PN异质结的设计，超宽禁带PN异质结功率二极管实现了较低的开启，正向偏置时，空穴势垒降低，p区空穴跃过PN异质结进入n区，当空穴浓度高于电子浓度后，诱导电子浓度上升，从而显著降低了器件导通电阻，如图2(d)所示，随着正向电压的增加微分电阻持续降低。这是在氧化镓器件中首次发现并证实存在显著的空穴超注入效应。研制的氧化镓功率二极管拥有超高耐压和极低电阻，功率优值P-FOM高达13.2 GW/cm2，是截止目前氧化镓半导体器件的最高值。

图2. (a) 器件三维结构示意图; (b)不通器件结构在8.3 kV耐压时仿真所得电场图; (c) 器件击穿图; (d) 器件正向导通图; (e) 超宽禁带半导体功率器件导通电阻-耐压对比图。

来源：半导体学报