南方科技大学于洪宇教授、汪青教授团队---2.86 kV阶梯状双层结构的垂直型Cu₂O/Ga₂O₃异质结二极管
南方科技大学于洪宇教授、汪青教授共同合作在学术期刊 Journal of Alloys and Compounds 发布了一篇名为 2.86-kV Vertical Cu2O/Ga2O3 Heterojunction Diodes with Stepped Double-layer Structure（2.86 kV 阶梯状双层结构的垂直型 Cu2O/Ga2O3 异质结二极管）的文章 。
1. 项目支持
本研究得到国家自然科学基金委员会（NSFC）、广东省基础与应用基础研究基金委和深圳市科技创新委员会的资助。
2. 背景
β-Ga2O3 由于其高击穿电场（8 MV/cm）和高禁带宽度（4.5-4.8 eV）以及可大尺寸晶体生长的特性，成为下一代高压功率器件的有力候选者。然而，由于其价带结构平坦、空穴有效质量大和自束缚空穴等问题，β-Ga2O3 难以实现 p 型掺杂，限制了其在双极型器件中的应用。因此，尝试引入 p 型氧化物半导体（如Cu2O、NiO、SnO等）与 n 型 Ga2O3 构建异质结二极管（HJDs）以解决该问题。 Cu2O 作为典型 p 型氧化物，具有优异的迁移率、热稳定性及可调控空穴浓度，是构建 HJDs 的理想材料之一，但目前关于 Cu2O/Ga2O3 异质结器件研究较少。
3. 主要内容
研究团队提出了一种具有阶梯状双层结构（SDL）的 Cu2O/Ga2O3 异质结二极管（HJD-SDL），通过调控 p⁺/p⁻ Cu2O 层的空穴浓度差异，实现对器件内电场的有效优化分布，实现了高达2.86 kV 的击穿电压和 1.01 GW/cm2 的PFOM值。TCAD 仿真结果表明，SDL 结构有效抑制了阳极边缘的峰值电场，并将其转移至器件内部，从而提升了器件耐压能力。器件在高达 473 K 温度下仍稳定工作，温度依赖性 I–V 分析揭示了陷阱辅助传输的抑制和载流子迁移率随温度升高的变化。此外，利用频率依赖电容–电导测试提取了界面态缺陷密度，结果表明 SDL 结构可降低浅能级范围的缺陷密度，反映出优异的界面质量。
4. 结论
本文成功制备出具有阶梯状双层结构的 Cu2O/Ga2O3 异质结二极管，不依赖终端结构即可实现 2.86 kV 的优异击穿电压和 8.1 mΩ·cm2 的低导通电阻，从而获得了超过 1.0 GW/cm2 的高功率性能指标，其综合性能居于现有 Cu2O/Ga2O3 异质结二极管器件之首。通过 SDL 结构的引入，不仅优化了电场分布，还提升了器件的热稳定性和可靠性。仿真分析验证该结构有效地将峰值电场从阳极边缘引导至器件体内，显著提高了耐压能力。同时，频率依赖电容和电导测试进一步说明了 SDL 结构对 Cu2O/Ga2O3 界面质量的改善。本研究提供了一种简洁高效的异质结构设计方案，为实现高压、高可靠性的 Ga2O3 功率电子器件奠定了理论和实验基础，具有重要的科研与产业化应用前景。
图1. (a) Cu2O/Ga2O3 HJD-SDL 和 SBD 的截面示意图. (b)详细的器件制作过程。(c)所制备的 HJD-SDL 的 STEM 图像和(d)器件光学显微镜图像。(e) Cu2O的UPS光谱。(f)热平衡时 p-Cu2O/n-Ga2O3 异质结能带图。(g) p+ Cu2O层和p- Cu2O 层的XRD 谱图。
图2. HJD-SDL 和 SBD的正向 I-V 特征(a)在线性尺度上与提取的 Ron,sp 和(b)在对数尺度上。(c) HJD-SDL 和 SBD的反向I-V特征。(d)最新报道的 Ga2O3 二极管的 Ron,sp 与 BV 的基准图。
DOI：
doi.org/10.1016/j.jallcom.2025.181672
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