——强雪崩-浪涌鲁棒性超宽禁带半导体功率器件

在新能源汽车、智能工业电子、轨道交通、航空航天等复杂电气环境中，作为控制能量传输与转换的核心单元-功率开关器件，面临高压、大功率运行工况下能量损耗、热量集聚、破坏性击穿等挑战。氧化镓(Ga₂O₃) 等超宽禁带半导体近年来成为发展更高能效和综合性能功率电子器件的战略性半导体，然而其双极型掺杂缺失的瓶颈问题导致雪崩与浪涌鲁棒性在其功率器件中无法实现，难以承受复杂电气环境中过压(Overvoltage)、过流(Overcurrent)等瞬态应力冲击，严重阻碍了超宽禁带半导体电力电子器件的实用化进程。

应对上述挑战，南京大学叶建东、陆海、张荣团队联合弗吉尼亚理工大学张宇昊教授团队提出和发展了p-NiO/n-Ga₂O₃双极型异质结终端扩展和高k氧化物介质场板异质集成的全新器件架构，首次证明了超宽禁带半导体异质结构功率器件可在复杂电气环境中保持出色的器件性能和雪崩-浪涌高鲁棒性，并从物理机制上揭示了p-NiO/n-Ga₂O₃异质结在高电场、大电流等极端条件下非平衡载流子动力学的基本特征。相关成果发表于Nature Communications上。

雪崩击穿是功率器件在实际应用场景下抵御过压(overvoltage)应力冲击的理想机制，可在高雪崩击穿电压下承受高雪崩电流，进而将电路中的过剩能量释放，保护系统安全。研究团队创新发展出无刻蚀损伤的斜台面NiO终端和BaTiO₃高k场板新型复合架构（图1a），利用载流子梯度有效调控电场分布，使得稳健可重复的雪崩击穿成为可能（图1b）。器件经过严格的静态变温电流-电压（I-V）测试和复合工业界JEDEC标准的非钳位感性开关（UIS）电路动态测试，如图1c-1d所示。击穿电压随着温度升高而增加，具有~1 V/°C的正温度系数，呈现教科书式的雪崩特征。这是国际上首次展现超宽禁带半导体功率器件在瞬态过压应力条件下的雪崩鲁棒性，雪崩击穿电压超过1600 V，雪崩电流大于50 A，雪崩耐量最大约为730 mJ，且100万次保持雪崩击穿稳定，与SiC、GaN等宽禁带半导体商用功率二极管相当（图3a）。

研究团队进一步评估了器件的正向浪涌鲁棒性，如图1e所示。p-NiO/n-Ga₂O₃异质结二极管的浪涌电流轨迹为逆时针，表明其具有负温度电流特性，是典型的双极型电导调制现象。正向浪涌电流超过50 A，表现其应对瞬态过流应力冲击方面的卓越能力，与其他宽禁带半导体商用功率二极管性能相当，如图3b。值得指出的是，p-NiO/n-Ga₂O₃异质结二极管在维持较大正向浪涌能力的同时，可实现纳秒级的快速反向恢复，远快于比商用的硅快速反向恢复二极管(FRD)，如图1f所示。这表明，相比于传统p-n结构功率器件，p-NiO/n-Ga₂O₃同时兼具较小的正向导通损耗和动态开关损耗的优势，因此可实现高能效功率转换。 

图1. (a) p-NiO/n-Ga₂O₃斜台面终端和BaTiO₃高k场板复合结构示意图; (b) TCAD仿真器件内部电场分布; (c) 静态变温I-V特性; (d) 非钳位开关动态变温测试; (e) p-NiO/n-Ga₂O₃异质结和Ni/n-Ga₂O₃肖特基二极管浪涌测试; (f) 不同器件的反向恢复特性。

p-NiO/n-Ga₂O₃异质结浪涌-雪崩鲁棒性的突破为研究超宽禁带半导体器件在极端条件或瞬态应力冲击下非平衡载流子的基本动力学特征提供了可能。

首先，半导体中稳健的雪崩击穿主要依赖于载流子的离化倍增及其产生的非平衡载流子的及时抽取，以防止电荷积累引起局域电场增加而发生提前破坏性热击穿。如图2a所示，得益于先进的电场管理策略，离化倍增首先在n-Ga₂O₃漂移层中启动，而p-NiO/n-Ga₂O₃异质界面II型能带排列结构有利于空穴的高效抽取。强电场驱使下，Ga₂O₃中空穴并非传统理解的“自束缚”，而具有较好的迁移能力，这使得高雪崩电流泄放过剩能量成为可能（图2b）。基于雪崩动态特性测试，该研究首次提取出Ga₂O₃中电子和空穴的载流子碰撞电离系数实验值，这为发展功率器件和日盲雪崩探测器件提供了重要的物理依据。

其次，p-NiO/n-Ga₂O₃异质结卓越的正向浪涌能力来自于双极型电导调制效应。p-NiO/n-Ga₂O₃异质界面能带偏移呈现很强的不对称性(图2a)，因此p-NiO中少子注入过程占据主导地位，进而发生显著的电导调制效应，降低了器件的正向导通电阻和导通损耗。这一现象得到电子束感应电流（EBIC）实验验证，如图2d-e所示。并计算出p-NiO和n-Ga₂O₃层中少数载流子寿命分别为124 ns和6.2 ns。这一少子寿命的强烈差异使得器件在15 ns内实现快速反向恢复，有利于降低器件动态开关损耗。

图2. (a) p-NiO/n-Ga₂O₃异质结反向偏置的能带图及载流子雪崩倍增示意图; (b) 雪崩条件下器件内部电场和碰撞电离生成率; (c) 异质结中EBIC电流分布; (d)正向偏置能带图; (e) 正向浪涌时载流子分布图。 

图3. p-NiO/n-Ga₂O₃功率器件与现有Si、SiC和GaN商用器件对比：(a) 雪崩击穿电压和雪崩能量; (b)反向恢复时间和浪涌能量。

综合而言，这项研究从器件结构和物理上首次证明Ga₂O₃超宽禁带半导体可通过双极型异质结构实现兼具强雪崩击穿能力、高浪涌电流和快反向恢复特性，突破了传统半导体p-n同质结在正向浪涌和开关速度方面相互制约的瓶颈。这一研究不仅填补了氧化镓这一战略性电子材料在功率器件工程应用进程中的关键空白，而且有望解决金刚石等其他超宽禁带半导体功率器件在实际电力电子应用中的关键障碍。

该研究工作由南京大学、美国弗吉尼亚理工大学和澳大利亚国立大学共同完成。南京大学周峰博士、巩贺贺博士与弗吉尼亚理工大学肖明博士为共同第一作者，南京大学叶建东教授、陆海教授、张荣教授与弗吉尼亚理工大学张宇昊教授为共同通讯作者。南京大学郑有炓院士和顾书林教授在该工作中提供了重要的指导和帮助。该研究工作得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金和广东省重点研发计划等项目的支持。