降低GaN材料缺陷密度、提高晶體材料質(zhì)量是當(dāng)前第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域最具挑戰(zhàn)的課題之一，而在廉價且配套產(chǎn)業(yè)完善的硅襯底上實現(xiàn)高質(zhì)量GaN材料的外延生長則是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最重要戰(zhàn)略方向和迫切需要。

北京大學(xué)物理學(xué)院、人工微結(jié)構(gòu)與介觀物理國家重點實驗室胡曉東教授與美國加州大學(xué)洛杉磯分校謝亞宏教授、日本名古屋大學(xué)天野浩教授（2014年度諾貝爾物理學(xué)獎獲得者）合作，利用獨特的外延生長技術(shù)，制備了具有三維蛇形通道的立體疊層掩膜襯底，并在硅晶圓上異質(zhì)外延生長高質(zhì)量GaN晶體，制備了GaN基肖特基二極管（SBD）和PN結(jié)二極管（PND），展現(xiàn)出優(yōu)異的物理性能。

北京大學(xué)消息顯示，該項研究工作是國際上首次實現(xiàn)異質(zhì)襯底側(cè)向外延制備橫向結(jié)構(gòu)的GaN基功率電子器件，展示了以極低廉的襯底成本實現(xiàn)高性能器件的可行性；為解決當(dāng)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(yōu)勢的全新方案，展示了廣闊的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用前景。

在SBD上，理想因子n下探至罕見的1.0，并在7個數(shù)量級的電流范圍內(nèi)保持在1.05以下；其開啟電壓低至0.59 V，電流開關(guān)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(yōu)于大多數(shù)GaN基PND，其室溫擊穿電壓達到490 V，在單邊結(jié)模型下（非穿通）導(dǎo)出臨界電場強度高達3.3 MV/cm，與理論極限值一致，刷新了異質(zhì)外延GaN基器件耐壓的世界紀(jì)錄，實際上也高于其他報道的同質(zhì)外延GaN基器件的耐壓。

有別于傳統(tǒng)側(cè)向外延，立體疊層掩膜襯底上外延的GaN晶體實現(xiàn)了在完整的條形區(qū)域內(nèi)都是低位錯密度的高質(zhì)量區(qū)，為更復(fù)雜的高性能跨窗口區(qū)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(diào)控實現(xiàn)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(jié)構(gòu)的影響，有望應(yīng)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(shè)計也使得漂移層寬度可輕松做到超越大電壓下的耗盡區(qū)寬度，而不受異質(zhì)外延垂直結(jié)構(gòu)中晶體厚度與晶體質(zhì)量之間矛盾的制約。

圖片來源：北京大學(xué)

據(jù)悉，相關(guān)研究成果以“異質(zhì)襯底上的GaN基非極性橫向功率二極管”為題，5月24日在線發(fā)表于《應(yīng)用物理快報》。同時，上述工作還得到國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃等支持。（若冰）