氮化鎵（GaN）器件具有更高耐壓，更快的開關(guān)頻率，更小導(dǎo)通電阻等諸多優(yōu)異的特性，在功率電子器件領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景：從低功率段的消費(fèi)電子領(lǐng)域，到中功率段的汽車電子領(lǐng)域，以及高功率段的工業(yè)電子領(lǐng)域。相比于橫向器件，GaN縱向功率器件能提供更高的功率密度、更好的動(dòng)態(tài)特性、更佳的熱管理及更高的晶圓利用率，近些年已取得了重要的進(jìn)展。而大尺寸、低成本的硅襯底GaN縱向功率器件更是吸引了國內(nèi)外眾多科研團(tuán)隊(duì)的目光。

 

中科院蘇州納米所孫錢研究團(tuán)隊(duì)在讀博士研究生郭小路及其他團(tuán)隊(duì)成員的合作攻關(guān)下，經(jīng)過近三年時(shí)間的不懈努力，先后在高質(zhì)量異質(zhì)外延材料生長及摻雜精確調(diào)控、器件關(guān)態(tài)電子輸運(yùn)機(jī)制及高壓擊穿機(jī)制、高性能離子注入保護(hù)環(huán)的終端開發(fā)等核心技術(shù)上取得突破，該系列研究工作先后發(fā)表于電子器件領(lǐng)域國際專業(yè)學(xué)術(shù)期刊IEEE Electron Device Letters, vol. 42, no. 4, pp. 473-476, Apr 2021. Applied Physics Letters, vol. 118, no. 24, 2021, Art. no. 243501. IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 68, no. 11, pp. 5682-5686, 2021。

 

團(tuán)隊(duì)成功研制出的高性能硅襯底GaN基垂直肖特基二極管，具有優(yōu)異的正向?qū)ㄐ阅埽≧on=1.0 mΩ·cm2），開關(guān)比高達(dá)1011，理想因子低至1.06，正向輸出電流1660A/cm2。器件的關(guān)態(tài)耐壓達(dá)603V，器件的Baliga優(yōu)值（衡量器件正反向電學(xué)性能的綜合指標(biāo)）為0.26GW/cm2。器件在175oC的高溫及380V反向偏壓下，開關(guān)性能仍未發(fā)生失效，綜合實(shí)現(xiàn)了耐高溫、耐高壓等優(yōu)異特性。硅襯底GaN基縱向功率二極管器件性能目前處于國際前列。

 

上述系列工作的主要作者為中科院蘇州納米所在讀博士研究生郭小路，團(tuán)隊(duì)特別研究助理鐘耀宗博士和已畢業(yè)博士生何俊蕾等為相關(guān)工作作出了重要貢獻(xiàn)，通訊作者為孫錢研究員和周宇副研究員。上述工作得到了國家自然科學(xué)重點(diǎn)基金項(xiàng)目、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題、中國科學(xué)院重點(diǎn)前沿科學(xué)研究計(jì)劃、江蘇省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目等資助。

 

 

圖1. GaN 水平器件與垂直器件的特點(diǎn)比較

 

圖2. GaN基縱向功率二極管的關(guān)態(tài)擊穿電壓與開態(tài)導(dǎo)通電阻（Ron,sp）的評(píng)價(jià)體系。國內(nèi)外相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)的自支撐襯底和硅襯底GaN基肖特基勢壘二極管（SBD）,結(jié)勢壘肖特基二極管（JBS），凹槽MOS型肖特基二極管（TMBS）器件性能的比較。

 

圖3.（a）硅基GaN縱向功率二極管的外延結(jié)構(gòu)（b）外延材料的CLmapping（c）器件的結(jié)構(gòu)示意圖（d）制備器件的離子注入保護(hù)環(huán)。

 

圖4.（a）線性坐標(biāo)下與（b）對(duì)數(shù)坐標(biāo)下有、無離子注入保護(hù)環(huán)(GR)終端的硅基GaN縱向SBD的正向IV曲線（c）不同溫度下硅基GaN縱向SBD的開態(tài)導(dǎo)通電阻（d）離子注入保護(hù)環(huán)個(gè)數(shù)對(duì)反向擊穿耐壓的影響。(e)有、無離子注入保護(hù)環(huán)對(duì)硅基GaN縱向SBD溫度特性的影響。