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系统并网技术 ★ 4.0

具有氦注入边缘终端的3.0 kV β-Ga2O3基垂直p-n异质结二极管

3.0 kV β-Ga2O3-Based Vertical p-n Heterojunction Diodes With Helium-Implanted Edge Termination

作者 Jiajun Han · Na Sun · Xinyi Pei · Rui Wang · Kangkai Fan · Renqiang Zhu
期刊 IEEE Transactions on Electron Devices
出版日期 2025年4月
技术分类 系统并网技术
相关度评分 ★★★★ 4.0 / 5.0
关键词 NiO/β-Ga2O3异质结二极管 击穿电压 导通电阻 氦离子注入 边缘终端
语言:

中文摘要

我们展示了垂直结构的NiO/β -Ga₂O₃ p - n异质结二极管(HJDs),其击穿电压(VBR)高达3000 V,比导通电阻(Ron,sp)低至3.12 mΩ·cm²,由此得到的巴利加品质因数(FOM)为2.88 GW/cm²。具体而言,引入了一种通过注入轻质量氦原子形成的高效低损伤边缘终端(ET),以抑制HJDs p - n结处的高电场,从而将器件的VBR从1330 V提高到3000 V。对反向泄漏机制进行了拟合和分析,揭示了氦注入器件中不同的击穿机制。仿真结果证实,氦注入边缘终端能够有效抑制器件p - n结处的峰值电场。同时,氦注入后器件的Ron,sp变化不大,并且通过密度泛函理论(DFT)计算表明,异质结的高效电荷转移证实了器件具有低Ron,sp的正向导通特性。这项工作可能为高功率、低损耗的β -Ga₂O₃双极型功率器件的设计和制造提供新的思路。

English Abstract

We demonstrated the vertical NiO/ -Ga2O3 p-n heterojunction diodes (HJDs) with a high breakdown voltage ( V_ BR ) of 3000 V and a low on-resistance ( R_ on, {sp} ) of 3.12 m cm2, resulting in a Baliga’s figure of merit (FOM) of 2.88 GW/cm2. Specifically, an efficient and low-damage edge termination (ET) formed by the implantation of lightweight Helium atoms was introduced to inhibit the high electric field at the p-n junction of HJDs, thereby increasing V_ BR of devices from 1330 to 3000 V. The reverse leakage mechanisms were fit and analyzed, revealing distinct breakdown mechanisms in He-implanted devices. The simulation results confirmed the peak electric field at the p-n junction of devices can be effectively suppressed by He-implanted ET. Meanwhile, a narrow change of devices’ R_ on, {sp} occurred after He implantation and the low- R_ on, {sp} forward conduction of devices was confirmed by efficient charge transfer of heterojunction with density functional theory (DFT) calculation. This work may provide a new insight into the design and fabrication of high-power, low-loss -Ga2O3 bipolar power devices.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项基于β-Ga2O3材料的3 kV垂直p-n异质结二极管技术具有重要的战略意义。该器件实现了3000V击穿电压和3.12 mΩ·cm²的超低导通电阻,其2.88 GW/cm²的Baliga品质因数远超传统硅基器件,这对我们在光伏逆变器和储能系统中追求的高效率、高功率密度目标高度契合。

特别值得关注的是其采用氦离子注入边缘终端技术,这种低损伤工艺将击穿电压从1330V提升至3000V,提升幅度达125%。这一电压等级恰好覆盖我们1500V光伏系统和储能系统的应用需求,若能实现产业化,可显著降低功率器件的串联需求,简化系统拓扑结构,提升整体可靠性。同时,超低导通电阻意味着更低的通态损耗,这对提升逆变器效率、降低散热成本具有直接价值。

然而,该技术目前仍处于实验室验证阶段,距离商业化应用存在明显距离。主要挑战包括:β-Ga2O3材料的晶圆制备成本高、尺寸受限;NiO/Ga2O3异质结的长期可靠性和温度稳定性需要验证;氦离子注入工艺的批量化一致性控制难度大。此外,论文未提及器件的开关特性和动态性能,这对逆变器应用至关重要。

建议阳光电源持续跟踪该技术路线的发展,特别关注其在高温、高频应用场景下的表现。可考虑在适当时机与相关研究机构建立合作,提前布局下一代超宽禁带半导体功率器件技术,为未来3-5年的产品迭代储备技术能力,巩固在新能源电力电子领域的技术领先地位。