香港大学张宇昊教授和南京大学叶�...

来源：市场资讯

（来源：第三代半导体产业）

内容聚焦

一、从“材料优势”到“可靠应用”：雪崩能力成为功率器件关键指标

文章首先指出，相比传统硅基半导体，氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）、氧化镓（Ga2O3）等宽禁带及超宽禁带材料具有更高的临界击穿电场以及更优异的高温稳定性，使功率器件能够突破传统硅器件在电压、频率和功率密度方面的限制。然而，在实际电力电子系统中，器件需要面对瞬态过压和能量冲击。当器件进入雪崩状态时，高能载流子通过碰撞电离产生载流子倍增，使器件能够吸收并耗散瞬态能量，从而避免灾难性失效。因此，“是否具备可重复雪崩能力”已成为衡量高压功率器件鲁棒性的重要标准。

文章从载流子碰撞电离、电场分布以及雪崩倍增过程出发，系统阐述了雪崩击穿的基本物理机制，并进一步总结了静态反向击穿、雪崩发光分析以及非钳位电感开关（UIS）测试等关键评价方法，为不同材料体系的雪崩性能比较建立了框架。

图1 反向偏压下半导体p-n结中雪崩倍增的示意能带图

二、终端结构决定雪崩性能：从电场调控实现可靠雪崩

对于高压功率器件而言，理论击穿能力往往受到器件边缘电场集中的限制。文章重点讨论了结终端扩展（JTE）、离子注入保护环、场板以及斜台面结构等关键技术路径。研究表明，通过合理设计终端结构，可以有效调节器件边缘电势分布，使电场更加均匀，并避免局部提前击穿。同时，优化后的终端不仅提升静态击穿电压，更能够改善雪崩过程中的热稳定性，实现高能量脉冲条件下的可靠运行。

文章进一步指出，未来高压宽禁带器件的发展将从单一终端优化逐步走向复合终端设计，例如梯度掺杂、小角度斜台面JTE以及高介电常数场板协同调控，为kV级甚至更高电压等级器件提供新的设计方向。

三、GaN雪崩器件：从“验证能力”迈向“工程可靠”

在GaN体系中，文章系统总结了垂直GaN二极管和晶体管雪崩研究的发展历程。

近年来，研究人员通过离子注入终端、斜台面结构以及梯度JTE设计，实现了>1.5 kV等级垂直GaN器件的稳定雪崩行为。其中，晶圆级UIS测试进一步证明了GaN器件能够承受高雪崩电流和高能量脉冲冲击，为GaN功率器件从实验室研究走向工程应用奠定基础。

文章特别总结了垂直GaN晶体管领域的重要进展。通过p-GaN区域对雪崩过程中空穴的有效抽取，垂直GaN Fin-JFET等器件展现出可重复、可恢复的雪崩特性，为未来高可靠、高功率密度GaN功率晶体管提供了新的技术路线。

图3 垂直GaN二极管器件结构及变温表征

四、Ga2O3异质结器件突破：超宽禁带材料实现高鲁棒雪崩

作为新兴超宽禁带半导体，Ga2O3具有约8 MV/cm的超高临界击穿电场以及低成本大尺寸衬底优势，被认为是下一代高压功率器件的重要候选材料。然而，由于Ga2O3难以实现有效p型掺杂，传统p-n同质结结构难以构建，长期限制了其雪崩能力的发展。

文章重点总结了近年来基于p-NiO/n-Ga2O3异质结的突破性进展。通过结合复合结终端结构、高介电常数场板以及异质结能带工程，实现了Ga2O3器件中的高电压、高电流和高可靠雪崩能力。

相关研究首次证明，Ga2O3异质结功率器件不仅能够实现超过kV级雪崩击穿，还能够承受高雪崩电流和多次循环冲击，展现出超宽禁带材料在极端功率电子应用中的巨大潜力。

2O3异质结器件和当前最先进的500~2000V同质结GaN、SiC和Si器件的

雪崩能量与雪崩电压基准图

五、未来方向：从器件雪崩到系统级可靠性

文章最后指出，未来宽禁带及超宽禁带雪崩功率器件的发展仍面临多个关键挑战，未来的研究可从以下几个方向进一步深入与拓展：

（1）材料—器件—电路协同建模：需要建立考虑缺陷、电场、电热耦合以及封装寄生参数的多尺度模型，实现雪崩行为的预测与设计。

（2）高鲁棒复合终端结构：未来需要结合梯度电荷调控、高介电材料以及新型场控结构，实现更高电压等级下的均匀雪崩。

（3）复杂工况下系统级可靠性评价：传统UIS测试仍无法完全覆盖实际应用环境，需要发展面向高温、高频、多脉冲条件的系统级雪崩可靠性测试体系。

（4）雪崩失效机理与寿命预测：通过先进光学、电学及热分析手段，揭示雪崩过程中载流子动力学和热演化机制，实现器件寿命预测。

结语

宽禁带与超宽禁带半导体功率器件正在推动电力电子技术迈向更高电压、更高功率密度和更高可靠性的新时代。从GaN器件的可控雪崩设计，到Ga2O3异质结器件的工程化突破，雪崩能力正在由传统意义上的“失效模式”转变为一种可设计、可利用的功能特性。

本综述系统梳理了GaN与Ga2O3雪崩功率器件的发展脉络，并从材料、器件、终端及系统层面展望未来发展方向，为下一代高可靠宽禁带功率电子技术的发展提供重要参考。

作者简介

巩贺贺 现为香港大学电机与计算机工程系博士后研究员。主要研究方向为超宽禁带半导体器件制备与封装。

杨字能 现为香港大学电机与计算机工程系博士研究生。主要研究方向为宽禁带半导体器件设计及制备.

叶建东 现为南京大学电子科学与工程学院教授、博士生导师。主要研究方向为氧化镓超宽禁带半导体材料与器件。

张宇昊 现为香港大学电机与计算机工程系教授。主要研究方向为宽禁带半导体以及电力电子。