近期，中國科學院寧波材料技術與工程研究所硅基太陽電池及寬禁帶半導體團隊與鄭州大學金剛石材料與器件團隊、南京大學以及哈爾濱工業大學的研究團隊緊密合作，在國際權威期刊Nano Letters上，以“Ultrawide Bandgap Diamond/ε-Ga2O3Heterojunction pn Diodes with Breakdown Voltagesover 3 kV”為題報道了超寬禁帶金剛石/氧化鎵異質集成功率器件的最新進展。寧波材料所博士研究生章建國為該論文的第一作者，寧波材料所葉繼春研究員和張文瑞研究員、鄭州大學單崇新教授和楊珣教授為該論文的共同通訊作者。

       以氧化鎵（Ga2O3）和金剛石(Diamond)為代表的超寬禁帶半導體材料，具有禁帶寬度大、擊穿電場高、巴利加優值高、抗輻射能力強等優異性能，可以更好地滿足功率電子器件在高功率、高溫、高頻以及高輻射等極端工況的使用需求，應用前景廣闊。然而，目前超寬禁帶半導體面臨著雙極型摻雜難這一問題，難以制造同質雙極型器件以同時滿足大電流和高電壓承載的要求。因此采取異質結策略，構建具有良好界面和能帶匹配的p-Diamond/n-Ga2O3二極管，是實現高性能超寬禁帶雙極型二極管的理想組合，有利于充分發揮超寬禁帶半導體在先進電力電子器件的應用優勢。目前超寬禁帶異質結器件性能常受制于較高的界面失配和缺陷密度，進而引起摻雜失效與耐壓性能下降，是實現千伏級功率器件的瓶頸問題。

       針對以上問題，寧波材料所、鄭州大學、南京大學以及哈爾濱工業大學通過異質外延界面調控和器件結構優化設計，成功制備擊穿電壓超3000 V的p-Diamond/n-Ga2O3異質pn結二極管。通過協同介穩態氧化鎵的結晶路徑和多疇生長行為，在p型（100）Diamond襯底上成功外延高結晶質量的n型ε-Ga2O3薄膜。X射線光電子能譜和原子級結構表征揭示異質外延ε-Ga2O3薄膜與具有氧終端表面的Diamond形成無元素偏析的原子級尖銳界面，具有理想的Ⅱ型（交錯型）能帶排列。通過調控金剛石和氧化鎵的摻雜濃度，團隊所制備的Diamond/ε-Ga2O3異質結二極管不僅具有開關比超過8個數量級的整流特性，且在3000 V反向偏壓下無明顯漏電流，模擬仿真的擊穿電壓超過5000 V。此外，時域熱反射譜（TDTR）表明該類Diamond/ε-Ga2O3異質結二極管擁有超過42 MW/m2·K的界面熱導率，具有良好的熱管理能力。

圖1金剛石/氧化鎵異質結二極管的基本結構。

圖2金剛石/氧化鎵異質結二極管的綜合電學性能和高界面熱導率。

       該工作提供了一種兼備高耐壓特性、低導通電阻和高效熱管理策略的超寬禁帶半導體異質pn結二極管的制造方案，將進一步推動超寬禁帶半導體在功率器件領域的發展。研究工作得到了國家重點研發計劃（2022YFB3608604、2022YFA1404404）、國家自然科學基金（62204244、52394162、52027803）、中國科學院、浙江省自然科學基金（LQ23F040003）和寧波市基金等項目的支持。

       備注：本文由寧波材料所與鄭州大學研究團隊供稿。