3.3MV/cm，刷新世界纪录！超低成本GaN基器件面世

第三代半导体风向 · 2021-06-05

氮化镓技术又有新突破！

6月3日，北京大学物理学院官网宣布，他们用硅晶圆制作了GaN晶体，并制备了GaN基功率器件，“这是国际上首次”，不仅物理性能优异，而且“极具成本优势”。

以GaN基PND器件为例，其导出临界电场强度高达3.3 MV/cm，与理论极限值一致，刷新了异质外延GaN基器件耐压的世界纪录。

同时，由于采用硅晶圆，它可以用“极低廉的衬底成本”，来制作氮化镓器件，从而能够以更低的成本去抢占快充、服务器，甚至汽车等市场，市场前景广阔。

这项技术得到国家自然科学基金、国家重点研发计划等支持，相关成果最近发表在《应用物理快报》，并被选为编辑精选。

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硅晶圆生长GaN晶体

实现3.3 MV/cm，刷新记录

据介绍，北京大学物理学院胡晓东教授与美国UCLA谢亚宏教授、日本名古屋大学天野浩教授（诺贝尔物理学奖得主）合作，开发了一种独特的外延生长技术，制备了GaN基SBD和GaN基PND。

经测试，这些GaN基器件的物理性能非常优异。

在PND上，理想因子n下探至1.8，其室温击穿电压达到490 V，而且在单边结模型下（非穿通），导出临界电场强度高达3.3 MV/cm，与理论极限值一致，刷新了异质外延GaN基器件耐压的世界纪录，高于其他报道的同质外延GaN基器件的耐压值。

图1：GaN基PND的I-V特性。

在SBD上，理想因子n下探至罕见的1.0，并在7个数量级的电流范围内保持在1.05以下；其开启电压低至0.59 V，电流开关比高达1010，软击穿电压达175 V@0.05 A/cm2。

图2：GaN基SBD的I-V特性。

北京大学如何做到？

三维蛇形通道衬底

简单来说，这项外延技术先制备具有三维蛇形通道的立体叠层掩膜衬底，然后在硅晶圆上异质外延生长了高质量的GaN晶体。

胡教授认为，在立体叠层掩膜衬底上外延的GaN晶体，实现了在完整的条形区域内都是低位错密度的高质量区，为更复杂的高性能跨窗口区的功率电子器件提供了无限可能。

此外，受益于横向的生长调控，实现了各层的堆叠方向是非极性的(110)晶面，从而避免极化电场对能带结构的影响，有望应用于对极化场散射敏感和对频率性能要求高的电子器件；其横向设计也使得漂移层宽度可轻松做到超越大电压下的耗尽区宽度，而不受异质外延垂直结构中晶体厚度与晶体质量之间矛盾的制约。

具体生长流程如下：

首先，在异质衬底上进行蛇形通道掩膜。

然后，GaN在通道中生长。

第三步，横向生长n+-GaN，并生长AlGaN来引入AlN覆盖掩膜。

第四步，横向生长n--GaN。

第五步，对于PND器件，继续横向生长p-GaN。

氮化镓器件制备的2大难题

众所周知，GaN材料的击穿电压理论上可达到、甚至大于3mV/cm的水平，是硅的10倍（0.3MV/cm），因此，凭借这个优势，理论上GaN器件能够替代超过67%的硅器件市场。

但是，目前全球还没有适合商用的GaN同质衬底，尽管三菱化学正在建线，准备生产4英寸的氮化镓衬底（.点这里.），但是价格会非常高。

因此，业界将目光转向了廉价的大尺寸硅衬底上，希望通过生长GaN外延层来制备功率器件。但是，由于硅衬底的导电性和低的临界击穿电场会导致产生垂直方向击穿问题。所以，提高硅基氮化镓功率器件的击穿电压是急需攻克的关键问题。

尽管，有机构已经将硅基氮化镓的硬击穿电压做到了1800V（.点这里.），但是缓冲层太厚会导致外延生长时间变长，从而极大的提高外延生产成本。

北京大学的新技术有望破解这两大瓶颈。