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微电子所在GaN外延位错传导载流子及其导致功率电子器件可靠性退化机制取得重要进展

作者: 集小微 07-18 16:27
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来源:中国科学院微电子研究所 #GaN# #器件# #位错#
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氮化镓(GaN)基电子器件凭借高频、高效、耐高温及抗辐射等卓越特性,已成为下一代高效电力电子与射频电子系统的核心支撑器件,在5G/6G通信、智能消费电子等领域展现出显著优势。然而,由于外延衬底与GaN基外延层之间存在严重的晶格失配和热失配,GaN基异质结构外延薄膜中不可避免地存在高密度线性位错(约10⁸ cm⁻²),这一数值远高于Si和SiC等传统半导体材料。这些位错引起的漏电与可靠性退化问题,成为限制GaN基电子器件向更高电压和更大功率应用拓展的关键挑战。

针对这一技术难题,中国科学院微电子研究所GaN基功率电子器件研发团队联合北京大学、香港科技大学、剑桥大学、武汉大学、中国科学院半导体所和苏州能讯高能半导体有限公司等单位,首次明确阐释了GaN异质外延中不同类型位错对器件性能的影响机理。研究团队创新性地构建了"双通道位错输运"模型,揭示了GaN外延层中螺位错和刃位错分别作为电子与空穴的独立传输路径,对器件漏电和动态电阻退化产生截然不同的影响。

研究团队运用课题组自主开发的创新模式深能级瞬态谱测试系统、低温光致发光、导电/电势原子力显微镜等多种先进表征方法,结合第一性原理计算,从原子层级深入剖析了位错的微观机制。研究发现,螺位错在其开核侧壁诱导形成纵向连通的超浅能级电子态,同时在位错核心区域形成电子势阱,构成贯穿外延层的"电子通道";而刃位错则在周围诱导形成连续分布的空穴陷阱,这些陷阱与碳掺杂GaN缓冲层中的CN型缺陷耦合,形成"空穴通道"。

在650-V级GaN基HEMT器件上的电学测试进一步验证了这一理论。研究表明,即使总位错密度较低,螺位错主导的器件在高压开关应力作用下,其动态导通电阻退化幅度显著高于刃位错主导器件。这一现象证实了螺位错易导致电子泄漏、电荷堆积与电流崩塌,而刃位错辅助的空穴再分布则有助于缓解缓冲层电子积累,从而减轻动态性能衰退。

这项研究启示我们,通过外延工艺调控螺位错与刃位错的比例,有望在保持整体晶体质量的前提下,实现GaN功率器件在漏电与动态可靠性之间的最优平衡。该成果为GaN器件中的"缺陷工程"开辟了新思路,创新性地提出将位错视为可工程化的一维载流子管道,而非单纯的有害结构缺陷。这一策略有望推广至其他半导体材料体系,为构建"位错电子学"理论体系奠定基础。

相关研究成果以"Dislocation-Assisted Electron and Hole Transport in GaN Epitaxial Layers"为题发表在Nature Communications上。中国科学院微电子研究所姚毅旭助理研究员为论文第一作者,黄森研究员、刘新宇研究员、北京大学沈波教授和香港科技大学Kevin J. Chen教授为论文的共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金重点、面上及青年基金项目,中国科学院-香港裘搓基金以及"中国科学院微电子研究所-香港科技大学微电子联合实验室"等项目的资助。

【图1】GaN外延中位错电子-空穴双通道输运模型:电子在螺位错(TSD)辅助下,经由ETSD浅电子能级和φTSD电子势阱共同作用实现输运;空穴则在刃位错(TED)的辅助下,于刃位错引入的能级ETED与碳掺杂引入的碳替氮位CN之间通过快速、慢速和直接发射三类路径完成输运。

责编: 集小微
来源:中国科学院微电子研究所 #GaN# #器件# #位错#
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