氮化镓（GaN）材料所具有的寬禁帶、高臨界電場強度和高電子飽和速度，使之成為功率開關器件的理想之選。GaN基功率器件憑借其耐高溫、耐高壓、高頻和低損耗等特性大大提升電力器件集成度，簡化了電路設計和散熱支持，具有重要的價值和廣泛的應用。然而，在GaN基電子器件中實現高耐壓性能，有賴于極低的貫穿位錯密度的高質量GaN基晶體材料。降低GaN材料缺陷密度、提高晶體材料質量是當前第三代半導體領域最具挑戰的課題之一，而在廉價且配套産業完善的矽襯底上實現高質量GaN材料的外延生長則是産業發展的最重要戰略方向和迫切需要。
beat365官方网站、人工微結構與介觀物理國家重點實驗室胡曉東教授與美國加州大學洛杉矶分校謝亞宏教授、日本名古屋大學天野浩教授（2014年度諾貝爾物理學獎獲得者）合作，利用獨特的外延生長技術，制備了具有三維蛇形通道的立體疊層掩膜襯底，并在矽晶圓上異質外延生長高質量GaN晶體，制備了GaN基肖特基二極管（SBD）和PN結二極管（PND），展現出優異的物理性能。在SBD上，理想因子n下探至罕見的1.0，并在7個數量級的電流範圍内保持在1.05以下；其開啟電壓低至0.59 V，電流開關比高達1010，軟擊穿電壓達175 V@0.05 A/cm2；在PND上，理想因子n下探至1.8，優于大多數GaN基PND，其室溫擊穿電壓達到490 V，在單邊結模型下（非穿通）導出臨界電場強度高達3.3 MV/cm，與理論極限值一緻，刷新了異質外延GaN基器件耐壓的世界紀錄，實際上也高于其他報道的同質外延GaN基器件的耐壓。有别于傳統側向外延，立體疊層掩膜襯底上外延的GaN晶體實現了在完整的條形區域内都是低位錯密度的高質量區，為更複雜的高性能跨窗口區的功率電子器件提供了無限可能。此外，受益于橫向的生長調控實現了各層的堆疊方向是非極性的(110)晶面，從而避免極化電場對能帶結構的影響，有望應用于對極化場散射敏感和對頻率性能要求高的電子器件；其橫向設計也使得漂移層寬度可輕松做到超越大電壓下的耗盡區寬度，而不受異質外延垂直結構中晶體厚度與晶體質量之間矛盾的制約。
圖1 (a)異質襯底上的蛇形通道掩膜；(b)GaN自通道中生長；(c)橫向生長n+-GaN并生長AlGaN來引入AlN覆蓋掩膜；(d)橫向生長n--GaN；(e)對于PND，繼續橫向生長p-GaN；(f)掃描電鏡圖展示橫向生長帶來的矩形分層以及成功覆蓋在掩膜上的AlN
圖2 GaN基SBD的I-V特性：(a)正偏I-V曲線展示0.59 V的開啟電壓和1.0的理想因子；(b)電流密度以及開啟電阻Ron随正向偏壓的變化；(c)反向偏壓I-V曲線展示175 V@0.05 A/cm2的軟擊穿
圖3 GaN基PND的I-V特性：(a)電流密度以及開啟電阻Ron随正向偏壓的變化，内插圖展示1.5～3.0 V範圍的理想因子n；(b)不同溫度反向偏壓I-V曲線表明擊穿來自碰撞電離雪崩倍增
相關研究成果以“異質襯底上的GaN基非極性橫向功率二極管”（Non-polar true-lateral GaN power diodes on foreign substrates）為題，2021年5月24日在線發表于《應用物理快報》（Applied Physics Letters, 118(21), 2021），并被選為編輯精選（Editor’s Picks）。加州大學洛杉矶分校博士研究生王嘉和beat3652016級博士研究生于果為共同第一作者，宗華博士提供生長技術支持，胡曉東、謝亞宏和天野浩教授為共同通訊作者。
該項研究工作是國際上首次實現異質襯底側向外延制備橫向結構的GaN基功率電子器件，展示了以極低廉的襯底成本實現高性能器件的可行性；為解決當前高性能GaN基功率電子器件所面臨的一些瓶頸問題提出極具成本優勢的全新方案，展示了廣闊的産業應用前景。
上述工作得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃等支持。
論文鍊接：https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0051552
