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-Ga 2 O 3 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/cm 2 ，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 Ga 2 O 3 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- Ga 2 O 3 ) 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，Ga 2 O 3 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。 Ga 2 O 3 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-Ga 2 O 3 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/cm 2 ，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。
第一作者
曾获得国家杰出青年基金项目、何梁何利基金创新奖等。长期从事宽禁带、超宽禁带半导体电子材料、射频器件、功率器件及电路研究，发表高水平论文300 余篇，出版学术专著3部，授权发明专利100 余项，做特邀报告50 余次，成果10 余次被国际行业杂志Semiconductor Today, Compound Semiconductor 专题报道。研究成果在我国5G通信基站等重大工程中成功应用。获国家技术发明二等奖2项（排名第一和第二）和省部级科技一等奖7项。
通讯作者
从事新型半导体功率器件和材料、微波器件以及逻辑器件的结构、工艺与机理研究，包括宽禁带半导体GaN SBD 与HEMT ,超宽禁带半导体 Ga 2 O 3 和AlN SBDs 与FETs 等微波功率与电力电子器件，Si、InGaAs 亚10 nm 节点的NC-FinFET、GAA 。在国际主流期刊和会议上发表学术论文100余篇，其中ESI高被引论文5篇。以第一或通讯作者在领域顶级期刊包括Nat. Comm.、IEEE EDL、IEEE TED、IEEE TPE、IEEE TIE、APL 等期刊上发表论文40余篇；以第一作者在半导体领域顶级会议包括VLSI和DRC上发表会议论文20余篇；研究成果被国际知名行业杂志Compound Semiconductor、Semiconductor Today 等近10余次报道，在国际会议做特邀或口头报告15次，Google 学术引用超过3000 次。
通讯作者
郝跃 ，中国科学院院士，国家自然基金委信息学部主任，西安电子科技大学教授，学术委员会主任。九三学社第十四届中央委员会常委、中国电子学会副理事长、国家中长期科学和技术发展规划纲要"核心电子器件、高端通用芯片和基础软件产品"科技重大专项实施专家组组长、国务院第七届学科评议组(电子科学与技术一级学科)召集人、国家重大基础研究计划(973 计划)项目首席科学家。第九、第十、第十三届全国政协委员和第十一届全国人大代表。荣获何梁何利基金科学技术奖、全国教书育人楷模、全国高校黄大年式教师团队带头人、陕西省最高科学技术奖等。 郝跃院士长期从事新型宽禁带半导体材料和器件、微纳米半导体器件与高可靠集成电路等方面的科学研究与人才培养。在氮化镓∕碳化硅第三代(宽禁带)半导体功能材料和微波器件、半导体短波长光电材料与器件研究和推广、微纳米CMOS 器件可靠性与失效机理研究等方面取得了系统的创新成果。研究成果广泛应用于5G通信、北斗导航、新型雷达等众多领域，为我国第三代半导体电子器件步入国际领先行列作出了重要贡献，获得国家技术发明奖二等奖1项，国家科技进步奖二等奖2项，国家级教学成果一等奖1项和二等奖1项。获得国家发明专利授权100 余项，出版《氮化物宽禁带半导体材料与电子器件》、《碳化硅宽带隙半导体技术》、《集成电路制造动力学理论与方法》和《微纳米CMOS器件可靠性与失效机理》、《NITRIDE WIDE BANDGAP SEMICONDUCTOR MATERIAL AND ELECTRONIC DEVICES 》等多部著作，在国内外著名期刊上发表学术论文600余篇。
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