國際上首次，北大教授參與實現異質襯底側向外延的GaN基功率電子器件

降低GaN材料缺陷密度、提高晶體材料質量是當前第三代半導體領域最具挑戰的課題之一，而在廉價且配套產業完善的硅襯底上實現高質量GaN材料的外延生長則是產業發展的最重要戰略方向和迫切需要。

北京大學物理學院、人工微結構與介觀物理國家重點實驗室胡曉東教授與美國加州大學洛杉磯分校謝亞宏教授、日本名古屋大學天野浩教授（2014年度諾貝爾物理學獎獲得者）合作，利用獨特的外延生長技術，制備了具有三維蛇形通道的立體疊層掩膜襯底，并在硅晶圓上異質外延生長高質量GaN晶體，制備了GaN基肖特基二極管（SBD）和PN結二極管（PND），展現出優異的物理性能。

北京大學消息顯示，該項研究工作是國際上首次實現異質襯底側向外延制備橫向結構的GaN基功率電子器件，展示了以極低廉的襯底成本實現高性能器件的可行性；為解決當前高性能GaN基功率電子器件所面臨的一些瓶頸問題提出極具成本優勢的全新方案，展示了廣闊的產業應用前景。

在SBD上，理想因子n下探至罕見的1.0，并在7個數量級的電流范圍內保持在1.05以下；其開啟電壓低至0.59 V，電流開關比高達1010，軟擊穿電壓達175 V@0.05 A/cm2；在PND上，理想因子n下探至1.8，優于大多數GaN基PND，其室溫擊穿電壓達到490 V，在單邊結模型下（非穿通）導出臨界電場強度高達3.3 MV/cm，與理論極限值一致，刷新了異質外延GaN基器件耐壓的世界紀錄，實際上也高于其他報道的同質外延GaN基器件的耐壓。

有別于傳統側向外延，立體疊層掩膜襯底上外延的GaN晶體實現了在完整的條形區域內都是低位錯密度的高質量區，為更復雜的高性能跨窗口區的功率電子器件提供了無限可能。

此外，受益于橫向的生長調控實現了各層的堆疊方向是非極性的(110)晶面，從而避免極化電場對能帶結構的影響，有望應用于對極化場散射敏感和對頻率性能要求高的電子器件；其橫向設計也使得漂移層寬度可輕松做到超越大電壓下的耗盡區寬度，而不受異質外延垂直結構中晶體厚度與晶體質量之間矛盾的制約。

圖片來源：北京大學

據悉，相關研究成果以“異質襯底上的GaN基非極性橫向功率二極管”為題，5月24日在線發表于《應用物理快報》。同時，上述工作還得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃等支持。（若冰）