氮化鎵（GaN）電子器件具有更高耐壓，更快的開關頻率，更小導通電阻等諸多優異的特性，在功率電子器件領域有著廣泛的應用前景：從低功率段的消費電子領域，到中功率段的汽車電子領域，以及高功率段的工業電子領域，目前650V級的GaN基橫向功率器件（如HEMT）已經廣泛應用于消費類電子產品的快充設備、大數據中心的電源管理系統，而有望應用到電動汽車上的1200 V級器件是GaN功率電子器件領域的研究熱點和難點。

圖1. GaN基縱向、橫向功率器件的特點比較

　　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、更好的動態特性、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內外眾多科研團隊的目光，近些年已取得了重要進展。

圖 2.(a) 受硅烷流量影響的漂移層Si的摻雜濃度(SIMS數據)和凈載流子濃度(C-V數據)； (b) 離子注入保護環對器件反向電學特性的影響，插圖：離子注入保護環的SEM圖； (c) GaN基縱向功率二極管的關態擊穿電壓與開態導通電阻（Ron,sp）的評價體系。國內外相關研究團隊的自支撐襯底和硅襯底GaN基肖特基勢壘二極管（SBD），結勢壘肖特基二極管（JBS），凹槽MOS型肖特基二極管（TMBS）器件性能的比較

　　中科院蘇州納米所孫錢研究團隊先后在漂移區的摻雜精準調控、器件關態電子輸運機制及高壓擊穿機制、高性能離子注入保護環的終端開發等核心技術上取得突破，曾經研制出關態耐壓達603V、器件的Baliga優值（衡量器件正反向電學性能的綜合指標）為0.26GW/cm²的硅襯底GaN縱向肖特基勢壘二極管，相關指標為公開報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) 隨漂移區深度分布的凈載流子濃度；(c) 漂移區外延材料的CL-mapping圖；(d) 帶保護環器件的正向電學數據；(e)保護環對器件反向電學特性的影響 

　　在前期工作基礎上，近期團隊基于6.6 μm厚、穿透位錯密度低至9.5 x 10⁷ cm^-3的高質量硅基GaN漂移區材料（為公開報道器件中的最低值），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的工作環境，仍然能正常工作，10次功率循環的測試表明器件具有較佳的可靠性，且受偏置電壓和導通時間影響的動態導通電阻降低現象得到了研究，相關工作以1200-V GaN-on-Si Quasi-Vertical p-n Diodes為題發表于微電子器件領域的頂級期刊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特性；(b) 受反向偏壓影響的動態導通電阻及其時間分辨圖；(c) 連續的功率循環測試及其(d)測試前、后器件的正向電學特性曲線

圖5.GaN基縱向功率二極管的關態擊穿電壓與開態導通電阻（Ron,sp）的評價體系。國內外相關研究團隊的自支撐襯底和硅襯底GaN基肖特基勢壘二極管（SBD），p-n功率二極管（PN），場效應晶體管（FET）器件性能的比較

　　上述研究工作得到了國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金項目、中國科學院重點前沿科學研究計劃、江蘇省重點研發計劃項目等資助。  

論文鏈接：https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/9936671

（來源：中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所）