EDL丨南京大学叶建东教授&香港大学&弗吉尼亚理工大学团队:击穿电压超过6.5 kV高温增强型Ga₂O₃单片双向开关器件

2026-04-28 03:48:57

由南京大学叶建东教授、香港大学、弗吉尼亚理工大学的联合团队在学术期刊 IEEE Electron Device Letters 发布了一篇名为 High-Temperature Enhancement-Mode Ga₂O₃ Monolithic Bidirectional Switch With >6.5 kV Breakdown Voltage（击穿电压超过 6.5 kV 高温增强型 Ga₂O₃单片双向开关器件）的文章。

背景

交流功率电子应用对双向开关（BDS）提出了极高要求。双向开关需在关断状态下阻断双极性电压，并在导通状态下实现双向电流传导。传统的双向开关通常由两个或四个离散器件通过反串联方式组成。这种方式导致芯片面积至少增加四倍，因为每个器件仅贡献总导通电阻的一半，严重限制了系统的功率密度并增加了成本。单片双向开关（MBDS）通过共享单个漂移区解决了上述问题，使其芯片面积可与单向器件媲美。虽然硅基和氮化镓（GaN）基 MBDS 已有显著进展，但 GaN 器件受限于电场集中问题，最高击穿电压（BV）目前仅能达到 3.3 kV。作为超宽禁带（UWBG）半导体的典型代表，β-Ga₂O₃ 具有极高的临界击穿场强（~8 MV/cm）和卓越的高温稳定性。尽管单向氧化镓器件已实现超过 10 kV 的击穿电压，但现有的氧化镓 MBDS 研究尚处于起步阶段，此前报道的电压水平均低于 400 V，且缺乏高温运行的验证。

主要内容

本研究展示了一种增强型（E-mode）Ga₂O₃ 单片双向开关（MBDS），该器件具备高温工作能力，在 150 ℃ 时正负极性均实现超过 6.5 kV 的击穿电压（BV），并在 200 ℃ 时仍能维持 4.7 kV 的击穿电压。该器件采用两个高掺杂 NiO 异质结栅极，每个栅极均连接至低掺杂 NiO 结点延伸区（JTE）以实现电场管理。其导通特性呈现对称性，阈值电压（V_TH）为 1.9V，导通电阻（R_on,sp）为 1755 mΩ·cm²。即使在 200 °C 时，V_TH 仍保持正值，而 R_on,sp 仅增加 1.3 倍。这代表了超宽带隙（UWBG）E-mode MBDS 器件迄今报道的最佳性能，也是首个在 200 °C 下运行的千伏级 MBDS 器件。这些结果表明 Ga₂O₃ MBDS 器件在高温高压应用领域具有广阔前景。

创新点

● 首次将单片双向开关的击穿电压提升至 6.5 kV 以上，远超此前 GaN 基 MBDS 约 3.3 kV 的极限。

● 该研究是全球首个在 200°C 高温下成功演示千伏级 MBDS 运行的案例。

● 通过结合高掺杂 p⁺⁺-NiO和轻掺杂 p^--NiO，在确保增强型特性的同时实现了极高的可靠性。

总结

本研究展示了一种可在高温下运行的 E-mode Ga₂O₃ 金属-绝缘体双极器件（MBDS）。通过优化基于 NiO 的双极结的线性结压（L_JTE）和阈值结压（t_JTE），该器件在 150 ℃ 时正负极均达到 6.5 kV 的击穿电压，并在 200 ℃ 时仍保持 4.7 kV 的电压。NiO 结栅结构使 E-mode 工作能在 200 ℃ 环境下持续运行。作为首款 200 ℃ 工作环境下运行的多千伏 MBDS，该成果表明 Ga₂O₃ MBDS 在高压高温电力电子领域具有广阔应用前景。

图1 (a) 具有 p-NiO 双结终端延伸（D-JTE）的Ga₂O₃单片双向开关（MBDS）三维结构示意图。(b) Ga₂O₃ 外延层的N_D-N_A 掺杂深度分布。(c) 关键器件制备工艺步骤示意图。(d) 制备的 Ga₂O₃ MBDS 的SEM图像。

图2 (a) 在晶体管和（b）二极管模式下器件的双向输出特性。(c) 导通态电流分布示意图，展示了耗尽效应的影响。(d) 在正向导通状态下，考虑 NiO/Ga₂O₃界面处约10¹² cm^-2负电荷时，Ga₂O₃ MBDS的仿真电流密度分布图。

图3 器件的转移特性曲线，以及高温下的正向输出与转移特性曲线。

图4 (a) 在V_G2S2=V_G1S1=0V 条件下，具有与不具有 D-JTE 结构的 Ga₂O₃ MBDS 的正向与反向阻断特性对比。(b) 不同 JTE 长度条件下 Ga₂O₃ MBDS 的双极性阻断特性。(c) 不同 JTE 厚度 t_JTE及不同栅间距L_G1G2条件下的正向阻断特性。虚线表示栅极泄漏电流。(d) 室温与高温条件下的正向阻断特性。