中国半导体十大研究进展候选推荐（2020-034）———高耐压NiO/Ga2O3 双极性异质结功率二极管
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工作简介
氧化镓（Ga2O3）在功率电子器件应用方面具有碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等宽禁带半导体不可比拟的优越特性，成为近年来新型功率半导体材料与器件领域的研究热点。Ga2O3禁带宽度为4.7~4.9 eV，理论击穿电场达到8 MV/cm，远高于SiC材料的理论极限2.5 MV/cm和GaN材料的理论极限3.3 MV/cm。虽然Ga2O3材料的部分特性优势显著，但其短板也很明显。其中最为关键的是Ga2O3是一种离子性很强的超宽禁带半导体材料，和ZnO材料类似，存在p型掺杂困难的关键瓶颈问题，导致传统的双极性功率器件设计无法应用于Ga2O3功率器件，因此基于Ga2O3基功率器件的实用化仍充满疑虑。为充分发挥Ga2O3材料的高击穿场强优势，解决双极性器件设计成为Ga2O3基功率器件进一步发展的关键难题。其有效途径是将n型Ga2O3和其他p型氧化物材料进行异质集成，而构筑低缺陷态密度的界面工程和载流子调控是提升器件性能的关键。
南京大学叶建东教授团队提出双层p型NiO设计，构建出新型p+-NiO(100 nm)/p-NiO (350 nm)/n-Ga2O3 p-n异质结构二极管。双层NiO异质结二极管的导通电阻为10.6 mΩ·cm2，高场下低漏电且400 K仍维持开关比>1011，击穿电压达到1.86 kV, 对应的功率优值为0.33 GW/cm2。器件的击穿电压为目前Ga2O3基异质结二极管击穿电压报道最高值，也超过其他采用任何终端结构Ga2O3基二极管击穿电压。器件耐压性能的提升主要得益于调控p型NiO薄膜的载流子浓度梯度，进而有效抑制器件边缘的电场积聚效应。通过这一双极性设计，团队进一步开发出以NiO为场板和场限环的异质结势垒肖特基二极管(HJBS)，器件导通电阻进一步下降至7.7 mΩ·cm2，反向击穿电压达到2.0 kV, 对应的功率优值为0.52 GW/cm2。同时揭示了界面电子能带结构和界面电荷引起的载流子隧穿复合机制，有助于加深异质结构强场下载流子倍增效应和雪崩击穿效应的理解，对实现高性能功率器件甚至雪崩日盲探测器件具有重要的科学意义。
图. NiO/Ga2O3 p-n异质结 (a)结构示意图，(b) 导通电阻微分曲线及线性I-V，(c) 低偏压对数I-V, (e) 反向击穿特性，(f))目前报道Ga2O3 SBD及异质p-n结导通电阻-击穿电压关系图。
相关成果于2020年7月以“A 1.86-kV double-layered NiO/b-Ga2O3 vertical p–n heterojunction diode”为题发表在Applied Physics Letters 117, 022104 (2020)，并被编辑挑选为高亮文章。全球权威半导体行业杂志《Compound Semiconductors》在其2020年9月的25周年纪念特刊中以“Heterojunction enhances power diodes”专题报道和高度评价“南京大学团队开创了Ga2O3 p-n二极管新结构”。
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主要作者简介
研究方向为宽禁带半导体材料及器件，目前以第一作者在国际知名期刊IEEE TED和APL发表论文。
2002年和2006年分别获南京大学理学学士和工学博士学位。曾在新加坡科技发展局（A*STAR）微电子研究院工作和澳大利亚国立大学任职Senior Research Engineer和 Queen Elizabeth II Fellow。
主要从事宽禁带氧化物半导体光电子材料与信息功能器件的研究，主持/完成国家重点研发计划项目课题、国家优秀青年基金、国家自然科学基金面上项目、江苏省杰出青年基金、江苏省重点研发计划、广东省重点研发计划课题等多项科研项目，并参与承担/完成多项国家重点研发计划课题、973、863和国家自然科学基金重点项目等。2014年获得江苏省第十一批“六大高峰人才”培养计划A类资助。在国外工作期间曾主持和完成新加坡科技发展局重大科技项目、创新探索项目及澳大利亚研究基金会人才创新项目。研究主要创新性成果包括自主开发氧化物半导体外延设备、高品质氧化物异质结构材料与物理、宽禁带氧化物基光电子器件和硅基集成光电器件等。在IEEE Electron Dev. Lett.、IEEE Trans. Electron Dev.、IEEE J. Electron. Dev. Soc、Appl. Phys. Lett.、Nano Lett.、Adv. Mater.、Adv. Opt. Mater.、ACS Appl. Mater. Interfaces、Optics Exp.等器件与材料领域的国际一流期刊上发表高水平论文97篇，其中通讯/共同通讯32篇；在半导体生长设备工艺、宽禁带材料外延和新型功能器件方面申请发明专利共15项，其中6项授权。受邀发表综述4篇，参编论著3部/章节，多次在美国材料学会会议 (MRS)春季和秋季会议、国际纳米电子学会议等重要国际学术会议上作特邀报告。
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原文传递
详情请点击论文链接：https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0010052
专题报道英文版链接：https://www.publishing.ninja/V4/page/10852/423/6/1
专题报道中文版链接：https://actinl.yunzhan365.com/books/gxlh/mobile/index.html#p=31
《半导体学报》简介：
《半导体学报》是中国科学院主管、中国电子学会和中国科学院半导体研究所主办的学术刊物，1980年创刊，首任主编是王守武院士，黄昆先生撰写了创刊号首篇论文，2009年改为全英文刊Journal of Semiconductors（简称JOS），同年开始与IOPP英国物理学会出版社合作向全球发行。现任主编是中科院副院长、国科大校长李树深院士。2019年，JOS入选“中国科技期刊卓越行动计划”。2020年，JOS被EI收录。
“中国半导体十大研究进展”推荐与评选工作简介：
《半导体学报》在创刊四十年之际，启动实施 “中国半导体年度十大研究进展”的推荐和评选工作，记录我国半导体科学与技术研究领域的标志性成果。以我国科研院所、高校和企业等机构为第一署名单位，本年度公开发表的半导体领域研究成果均可参与评选。请推荐人或自荐人将研究成果的PDF文件发送至《半导体学报》电子邮箱：jos@semi.ac.cn，并附简要推荐理由。被推荐人须提供500字左右工作简介，阐述研究成果的学术价值和应用前景。年度十大研究进展将由评审专家委员会从候选推荐成果中投票产生，并于下一年度春节前公布。
JOSarXiv预发布平台简介：
半导体科技发展迅猛，科技论文产出数量逐年增加。JOSarXiv致力于为国内外半导体领域科研人员提供中英文科技论文免费发布和获取的平台，保障优秀科研成果首发权的认定，促进更大范围的学术交流。JOSarXiv由《半导体学报》主编李树深院士倡导建立，编辑部负责运行和管理，是国内外第一个专属半导体科技领域的论文预发布平台，提供预印本论文存缴、检索、发布和交流共享服务。
JOSarXiv于2020年1月1日正式上线（http://arxiv.jos.ac.cn/），通过《半导体学报》官网（http://www.jos.ac.cn/）亦可访问。敬请关注和投稿！
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