近期，中国科学院宁波材料技术与工程研究所硅基太阳电池及宽禁带半导体团队与郑州大学金刚石材料与器件团队、南京大学以及哈尔滨工业大学的研究团队紧密合作，在国际权威期刊Nano Letters上，以“Ultrawide Bandgap Diamond/ε-Ga2O3 Heterojunction
pn Diodes with Breakdown Voltages over 3 kV”为题报道了超宽禁带金刚石/氧化镓异质集成功率器件的最新进展。宁波材料所博士研究生章建国为该论文的第一作者，宁波材料所叶继春研究员和张文瑞研究员、郑州大学单崇新教授和杨珣教授为该论文的共同通讯作者。以氧化镓（Ga2O3）和金刚石(Diamond)为代表的超宽禁带半导体材料，具有禁带宽度大、击穿电场高、巴利加优值高、抗辐射能力强等优异性能，可以更好地满足功率电子器件在高功率、高温、高频以及高辐射等极端工况的使用需求，应用前景广阔。然而，目前超宽禁带半导体面临着双极型掺杂难这一问题，难以制造同质双极型器件以同时满足大电流和高电压承载的要求。因此采取异质结策略，构建具有良好界面和能带匹配的p-Diamond/n-Ga2O3二极管，是实现高性能超宽禁带双极型二极管的理想组合，有利于充分发挥超宽禁带半导体在先进电力电子器件的应用优势。目前超宽禁带异质结器件性能常受制于较高的界面失配和缺陷密度，进而引起掺杂失效与耐压性能下降，是实现千伏级功率器件的瓶颈问题。针对以上问题，宁波材料所、郑州大学、南京大学以及哈尔滨工业大学通过异质外延界面调控和器件结构优化设计，成功制备击穿电压超3000 V的p-Diamond/n-Ga2O3异质pn结二极管。通过协同介稳态氧化镓的结晶路径和多畴生长行为，在p型（100）Diamond衬底上成功外延高结晶质量的n型ε-Ga2O3薄膜。X射线光电子能谱和原子级结构表征揭示异质外延ε-Ga2O3薄膜与具有氧终端表面的Diamond形成无元素偏析的原子级尖锐界面，具有理想的Ⅱ型（交错型）能带排列。通过调控金刚石和氧化镓的掺杂浓度，团队所制备的Diamond/ε-Ga2O3异质结二极管不仅具有开关比超过8个数量级的整流特性，且在3000 V反向偏压下无明显漏电流，模拟仿真的击穿电压超过5000 V。此外，时域热反射谱（TDTR）表明该类Diamond/ε-Ga2O3异质结二极管拥有超过42 MW/m2·K的界面热导率，具有良好的热管理能力。该工作提供了一种兼备高耐压特性、低导通电阻和高效热管理策略的超宽禁带半导体异质pn结二极管的制造方案，将进一步推动超宽禁带半导体在功率器件领域的发展。研究工作得到了国家重点研发计划（2022YFB3608604、2022YFA1404404）、国家自然科学基金（62204244、52394162、52027803）、中国科学院、浙江省自然科学基金（LQ23F040003）和宁波市基金等项目的支持。![]()
图1金刚石/氧化镓异质结二极管的基本结构。![]()
图2金刚石/氧化镓异质结二极管的综合电学性能和高界面热导率。
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