氮化鎵（GaN）電子器件具有更高耐壓，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，目前650V級(jí)的GaN基橫向功率器件（如HEMT）已經(jīng)廣泛應(yīng)用于消費(fèi)類電子產(chǎn)品的快充設(shè)備、大數(shù)據(jù)中心的電源管理系統(tǒng)，而有望應(yīng)用到電動(dòng)汽車上的1200 V級(jí)器件是GaN功率電子器件領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。
圖1. GaN基縱向、橫向功率器件的特點(diǎn)比較
相比于橫向功率電子器件，GaN縱向功率器件能提供更高的功率密度/晶圓利用率、更好的動(dòng)態(tài)特性、更佳的熱管理，而大尺寸、低成本的硅襯底GaN縱向功率電子器件吸引了國(guó)內(nèi)外眾多科研團(tuán)隊(duì)的目光，近些年已取得了重要進(jìn)展。
圖 2.(a) 受硅烷流量影響的漂移層Si的摻雜濃度(SIMS數(shù)據(jù))和凈載流子濃度(C-V數(shù)據(jù))； (b) 離子注入保護(hù)環(huán)對(duì)器件反向電學(xué)特性的影響，插圖：離子注入保護(hù)環(huán)的SEM圖； (c) 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(guó)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(shì)壘二極管（SBD），結(jié)勢(shì)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
中科院蘇州納米所孫錢研究團(tuán)隊(duì)先后在漂移區(qū)的摻雜精準(zhǔn)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，曾經(jīng)研制出關(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的硅襯底GaN縱向肖特基勢(shì)壘二極管，相關(guān)指標(biāo)為公開報(bào)道同類型器件的最佳值（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）。
圖3.(a) 硅襯底GaN縱向p-n功率二極管的示意圖； (b) 隨漂移區(qū)深度分布的凈載流子濃度；(c) 漂移區(qū)外延材料的CL-mapping圖；(d) 帶保護(hù)環(huán)器件的正向電學(xué)數(shù)據(jù)；(e)保護(hù)環(huán)對(duì)器件反向電學(xué)特性的影響
在前期工作基礎(chǔ)上，近期團(tuán)隊(duì)基于6.6 μm厚、穿透位錯(cuò)密度低至9.5 x 107 cm-3的高質(zhì)量硅基GaN漂移區(qū)材料（為公開報(bào)道器件中的最低值），成功研制了1200 V的pn功率二極管。器件的理想因子低至1.2；在反向偏置電壓為1000 V的條件下，器件在溫度為175 oC的工作環(huán)境，仍然能正常工作，10次功率循環(huán)的測(cè)試表明器件具有較佳的可靠性，且受偏置電壓和導(dǎo)通時(shí)間影響的動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻降低現(xiàn)象得到了研究，相關(guān)工作以1200-V GaN-on-Si Quasi-Vertical p-n Diodes為題發(fā)表于微電子器件領(lǐng)域的頂級(jí)期刊IEEE Electron Device Letters 43 (12), 2057-2060 (2022)，第一作者為中科院蘇州納米所特別研究助理郭小路博士，通訊作者為孫錢研究員和特別研究助理鐘耀宗博士。
圖4.(a) 溫度依賴的反向電學(xué)特性；(b) 受反向偏壓影響的動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻及其時(shí)間分辨圖；(c) 連續(xù)的功率循環(huán)測(cè)試及其(d)測(cè)試前、后器件的正向電學(xué)特性曲線
圖5.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(guó)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(shì)壘二極管（SBD），p-n功率二極管（PN），場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）器件性能的比較
上述研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、中國(guó)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。
論文鏈接：https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/9936671
（來源：中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所）
