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储能系统技术 储能系统 工商业光伏 ★ 4.0

超)宽禁带异质结超级结:设计、性能极限与实验验证

作者
期刊 IEEE Transactions on Electron Devices
出版日期 2025年1月
技术分类 储能系统技术
技术标签 储能系统 工商业光伏
相关度评分 ★★★★ 4.0 / 5.0
关键词 超结 异质超结器件 氧化镓 击穿电压 肖特基势垒二极管
语言:

中文摘要

超结(SJ)通过多维静电工程打破了传统功率器件的性能极限。继在硅材料中取得商业成功后,最近在包括碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)和氧化镓(Ga₂O₃)等宽带隙(WBG)和超宽带隙(UWBG)半导体中也实现了超结结构。与基于本征 p - n 结的传统超结设计不同,在氮化镓和氧化镓中报道的垂直超结器件是基于包含异质 p 型材料的异质结构建的。这种异质超结对于难以实现双极掺杂的超宽带隙材料尤为有前景。在此,我们全面探讨了新兴异质超结器件的性能极限、设计和特性。在进行通用的性能极限分析之后,我们以超宽带隙 Ga₂O₃/NiO 超结二极管为例,展示了异质超结器件的设计准则、制备工艺和性能。重点介绍了在 n - Ga₂O₃ 柱周围沉积 p - NiO 的自对准工艺,以及 p - NiO 厚度不均匀性对器件击穿电压(BV)的影响。此类工艺和器件物理特性与异质超结器件密切相关。所制备的超结二极管实现了超过 2 kV 的击穿电压和 0.7 mΩ·cm² 的比导通电阻,其性能权衡在千伏级肖特基势垒二极管(SBD)中处于领先水平。这些结果为未来不同材料体系中异质超结器件的发展提供了关键参考。

English Abstract

Superjunction (SJ) breaks the performance limit of conventional power devices via multidimensional electrostatic engineering. Following a commercial success in Si, it has been recently demonstrated in wide bandgap (WBG) and ultra-WBG (UWBG) semiconductors, including SiC, GaN, and Ga2O3. Different from the legacy SJ design based on native p-n junctions, the vertical SJ devices reported in GaN and Ga2O3 were built on heterogenous junctions that comprise a foreign p-type material. This hetero-SJ is particularly promising for UWBG materials, in which bipolar doping is difficult. Here, we comprehensively discuss the performance limit, design, and characteristics of the emerging hetero-SJ devices. After a generic performance limit analysis, we use the UWBG Ga2O3/NiO SJ diode as an example to showcase the design guideline, fabrication, and performance of hetero-SJ devices. The emphasis is placed on a self-align process to deposit p-NiO around n-Ga2O3 pillars and the impact of the p-NiO thickness inhomogeneity on the device breakdown voltage (BV). Such process and device physics are uniquely relevant to hetero-SJ devices. The fabricated SJ diode achieves a BV over 2 kV and a specific on-resistance of 0.7 m cm^2 , the tradeoff of which is among the best in kilovolt Schottky barrier diodes (SBDs). These results provide key references for the future development of hetero-SJ devices in diverse material systems.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项异质超级结(Hetero-SJ)技术代表了功率半导体器件的重要突破方向,对我们的核心产品线具有战略意义。

在光伏逆变器和储能变流器领域,功率器件的性能直接决定系统效率、功率密度和成本竞争力。该论文展示的Ga2O3/NiO超级结二极管实现了2kV耐压和0.7 mΩ·cm²的导通电阻,这一性能指标突破了传统硅基器件的理论极限,对我们开发高压大功率产品(如1500V光伏系统、储能PCS)具有显著价值。更低的导通损耗意味着更高的转换效率和更小的散热需求,这将直接提升我们产品的市场竞争力。

该技术的核心创新在于解决了超宽禁带半导体(如Ga2O3)难以实现双极掺杂的瓶颈,通过引入异质p型材料构建超级结。这为我们未来采用新一代半导体材料提供了可行路径。相比当前主流的SiC和GaN器件,Ga2O3具有更大的禁带宽度和理论性能上限,且成本潜力更优。

然而,技术成熟度仍是关键考量。论文提到的p-NiO厚度不均匀性对击穿电压的影响,以及自对准工艺的复杂性,表明该技术距离商业化量产还有一定距离。对阳光电源而言,建议采取"跟踪评估"策略:一方面与学术机构保持技术交流,关注工艺成熟度进展;另一方面在现有SiC/GaN平台上积累超级结器件的应用经验,为未来技术迭代做好准备。这项技术预计在5-10年内可能对高端电力电子市场产生实质影响,符合我们的中长期技术布局需求。