基于阶梯双层结构的2.86 kV垂直Cu2O/β-Ga2O3异质结二极管的高性能功率电子器件研究

为解决β-Ga2O3功率器件击穿电压与导通电阻的矛盾问题，研究人员通过设计p+/p-阶梯双铜氧层（SDL）结构，成功制备出击穿电压达2860 V的Cu2O/Ga2O3异质结二极管（HJD-SDL），其开启电压1.2 V、比导通电阻8.1 mΩ·cm2、功率优值超1.0 GW/cm2，为Ga2O3双极型功率电子器件发展提供了新策略。

　　

在功率电子器件领域，β相氧化镓（β-Ga₂O₃）因其超宽禁带（4.5-4.8 eV）、超高临界击穿电场（8 MV/cm）等特性被视为下一代高压器件的理想材料。然而，其双极型器件发展长期受限于p型掺杂困难导致的击穿电压与导通性能难以兼得的问题。传统Ga₂O₃器件多采用单极型肖特基势垒二极管（SBD）结构，但存在电场集中、热稳定性不足等瓶颈。如何通过异质结工程实现电场优化与性能突破，成为国际研究热点。

为解决这一挑战，中国的研究团队创新性地采用氧化亚铜（Cu₂O）阶梯双层结构（Stepped Double-layer, SDL），成功研制出高性能垂直Cu₂O/β-Ga₂O₃异质结二极管（HJD）。该成果发表在《Journal of Alloys and Compounds》上，通过p⁺/p^- Cu₂O的能带调控，首次在不使用场板或边缘终端结构情况下实现2860 V击穿电压，同时保持1.2 V低开启电压和8.1 mΩ·cm²的超低比导通电阻，功率优值（PFOM）突破1.0 GW/cm²，为Ga₂O₃功率电子器件树立了新标杆。

关键技术方法包括：采用日本Novel Crystal Technology公司的Sn掺杂β-Ga₂O₃衬底（含10 μm Si掺杂n型漂移层），通过ICP刻蚀实现台面隔离；利用UPS谱测定Cu₂O价带能级（E_v=5.56 eV）；结合频率依赖的电容-电导法测量异质结界面陷阱密度；采用TCAD仿真验证SDL结构的电场分布特性。

RESULTS AND DISCUSSION

1. 结构表征：STEM显示Cu₂O层呈多晶态但异质结界面陡峭，UPS证实其价带偏移形成II型能带排列，为载流子输运提供有利条件。
2. 电学性能：SDL结构使击穿电压较传统SBD提升3.7倍，仿真表明p⁺层将峰值电场从2.5 MV/cm降至1.8 MV/cm，实现体内电场再分布。
3. 热稳定性：器件在473 K高温下仍保持正常运作，温度系数分析揭示正向导通受复合电流主导。
4. 界面特性：电容-电压测量测得界面态密度为2.1×10¹² cm^-2·eV^-1，证实异质结质量良好。

CONCLUSIONS
该研究通过创新的SDL结构设计，首次实现兼具超高击穿电压（2860 V）与优异导通特性（R_on,sp=8.1 mΩ·cm²）的Cu₂O/Ga₂O₃异质结二极管，其功率优值超越现有报道的Ga₂O₃单极器件。研究不仅揭示了p⁺/p^-层对电场调控的物理机制，还通过系统的界面表征为异质结可靠性研究提供新范式。这项工作为发展Ga₂O₃基高压功率集成电路开辟了新路径，对智能电网、轨道交通等领域的下一代能源转换系统具有重要应用价值。