Onderzoekers ontwikkelen krachtige heterojunctie-pn-diodes

Een onderzoeksteam heeft hoogwaardige diamant/ε-Ga ontwikkeld₂O₃ heterojunctie-pn-diodes op basis van halfgeleiders met ultrabrede bandafstand, waarmee doorslagspanningen van meer dan 3 kV worden bereikt. Dit werk was gepubliceerd in Nano-brieven.

Het onderzoek werd geleid door prof. Ye Jichun van het Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering (NIMTE) van de Chinese Academie van Wetenschappen (CAS), samen met onderzoekers van Zhengzhou University, Nanjing University, Harbin Institute of Technology en Yongjiang Laboratory.

Halfgeleiders met ultrabrede bandafstand, waaronder Ga₂O₃ en diamant vertonen een opmerkelijk potentieel voor toepassingen met hoog vermogen vanwege hun ultrabrede bandafstand, hoog doorslagveld, stralingsweerstand en dragermobiliteit. Bipolaire apparaten, zoals pn-diodes en bipolaire junctietransistors, hebben een veelbelovend potentieel in de krachtige elektronica-industrie vanwege hun vermogen om sperspanningsstromen te weerstaan.

Effectieve bipolaire dotering in halfgeleiders met ultrabrede bandafstand wordt echter beperkt door de aanzienlijke ionisatie-energieën van doteermiddelen. Om dit knelpunt te overwinnen, hebben de onderzoekers een heterojunctiestrategie voorgesteld. Deze aanpak integreert p-type diamant met n-type ε-Ga₂O₃ voor het vervaardigen van power-pn-diodes.

Het heteroepitaxiale n-type ε-Ga₂O₃ film werd gegroeid op het p-type diamant-enkelkristalsubstraat door multidomeinen te coördineren en de kristallisatieroute te beperken. Dit proces verlicht roostermismatch. De heterojunctie-interface tussen ε-Ga₂O₃ en diamant is atomair scherp zonder waarneembare diffusie van grensvlakelementen, waardoor zeer efficiënte rectificatie en lage omgekeerde lekstroom in de heterojunctiediodes mogelijk zijn.

Vergeleken met eerder gerapporteerde op diamanten gebaseerde diodes, is de gefabriceerde diamant/ε-Ga₂O₃ heterojunctiediode vertoont opmerkelijke gelijkrichteigenschappen, met een aan-uitverhouding van meer dan 10⁸. Het bereikt een maximale doorslagspanning van meer dan 3.000 V, zelfs zonder flankafsluiting.

Bovendien is er een thermische grensgeleiding van maximaal 64 MW/m²·K bij 500 K werd bereikt, wat het thermische beheersvermogen van diamant/ε-Ga aantoont₂O₃ heterojunctie diode.

Deze studie introduceert een innovatieve methodologie voor het vervaardigen van hoogwaardige, op halfgeleiders gebaseerde bipolaire apparaten met ultrabrede bandafstand. De resulterende apparaten vertonen uitzonderlijke doorslagspanningen en efficiënt thermisch beheer, waardoor ze zeer geschikt zijn voor toepassingen met ultrahoog vermogen.