氮化鎵（GaN）基電子器件具有高頻、高效、耐高溫及抗輻射等卓越特性，是下一代高效電力電子與射頻電子系統(tǒng)的核心支撐器件，已在 5G/6G 通信、智能消費(fèi)電子等領(lǐng)域凸顯出優(yōu)異的應(yīng)用優(yōu)勢。GaN基器件主要基于異質(zhì)外延材料制作，由于外延襯底與GaN基外延層（如AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)）間嚴(yán)重的晶格失配和熱失配，GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)外延薄膜不可避免地存在高密度線性位錯（約10? cm?²），遠(yuǎn)高于Si和SiC等半導(dǎo)體材料。螺位錯、刃位錯以及兩者的混合位錯是GaN基異質(zhì)外延中最主要的位錯類型，這些位錯誘導(dǎo)的漏電與可靠性退化問題是制約GaN基電子器件向更高電壓和更大功率應(yīng)用拓展的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。
針對上述問題，中國科學(xué)院微電子研究所GaN基功率電子器件研發(fā)團(tuán)隊聯(lián)合北京大學(xué)、香港科技大學(xué)、劍橋大學(xué)、武漢大學(xué)、中國科學(xué)院半導(dǎo)體所和蘇州能訊高能半導(dǎo)體有限公司等單位，首次澄清了GaN異質(zhì)外延中螺位錯（open-core）和刃位錯對GaN基功率電子器件的關(guān)鍵可靠性-動態(tài)導(dǎo)通電阻退化的影響機(jī)理，構(gòu)建了“雙通道位錯輸運(yùn)”模型，明確了GaN外延層中螺位錯和刃位錯可分別充當(dāng)電子與空穴的獨(dú)立傳輸路徑，對器件漏電和動態(tài)電阻的退化產(chǎn)生相反的影響。
團(tuán)隊基于課題組前期開發(fā)的創(chuàng)新模式深能級瞬態(tài)譜（DLTS）測試系統(tǒng)、低溫光致發(fā)光（PL）、導(dǎo)電/電勢原子力顯微鏡（c-AFM/EFM）等多種先進(jìn)表征方法，結(jié)合第一性原理計算，從原子層級明確了螺位錯在其開核（open-core）側(cè)壁誘導(dǎo)形成縱向連通的超淺能級電子態(tài)，同時在位錯核心區(qū)域形成電子勢阱，形成貫穿外延層的“電子通道”；而刃位錯則在其周圍誘導(dǎo)形成連續(xù)分布的空穴陷阱，這些陷阱與碳摻雜GaN緩沖層中的CN型缺陷耦合，形成“空穴通道”。團(tuán)隊在650-V 級GaN基HEMT器件上進(jìn)行了電學(xué)測試驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)即便總位錯密度較低，螺位錯主導(dǎo)的器件在高壓開關(guān)應(yīng)力作用下，其動態(tài)導(dǎo)通電阻退化幅度顯著高于刃位錯主導(dǎo)器件。該現(xiàn)象印證了螺位錯易導(dǎo)致電子泄漏、電荷堆積與電流崩塌，而刃位錯輔助的空穴再分布則有助于緩解緩沖層電子積累，從而減輕動態(tài)性能衰退。研究提示，通過外延工藝調(diào)控螺位錯與刃位錯的比例，有望在保持整體晶體質(zhì)量的前提下，實(shí)現(xiàn)GaN功率器件在漏電與動態(tài)可靠性之間的最優(yōu)平衡。該成果為GaN器件中的“缺陷工程”開辟了新思路，創(chuàng)新提出將位錯視為可工程化的一維載流子管道，而非單純的有害結(jié)構(gòu)缺陷。該策略有望推廣至其他半導(dǎo)體材料體系，為構(gòu)建“位錯電子學(xué)” 理論體系奠定基礎(chǔ)。
研究成果以 “Dislocation-Assisted Electron and Hole Transport in GaN Epitaxial Layers” 為題發(fā)表在 Nature Communications（DOI: 10.1038/s41467-025-61510-w）。中國科學(xué)院微電子研究所姚毅旭助理研究員為論文第一作者，黃森研究員、劉新宇研究員、北京大學(xué)沈波教授和香港科技大學(xué) Kevin J. Chen 教授為論文的共同通訊作者。研究工作得到了國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)、面上及青年基金項目，中國科學(xué)院-香港裘搓基金以及 “中國科學(xué)院微電子研究所-香港科技大學(xué)微電子聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室” 等項目的資助。
圖1 GaN外延中位錯電子-空穴雙通道輸運(yùn)模型：電子在螺位錯（TSD）輔助下，經(jīng)由 ETSD淺電子能級和φTSD 電子勢阱共同作用實(shí)現(xiàn)輸運(yùn)；空穴則在刃位錯（TED）的輔助下，于刃位錯引入的能級ETED 與碳摻雜引入的碳替氮位 CN 之間通過快速、慢速和直接發(fā)射三類路徑完成輸運(yùn)。
（來源：中國科學(xué)院微電子研究所）
