苏州纳米所孙钱团队在硅衬底GaN基纵向功率器件方面取得新进展

氮化镓（GaN）器件具有更高耐压，更快的开关频率，更小导通电阻等诸多优异的特性，在功率电子器件领域有着广泛的应用前景：从低功率段的消费电子领域，到中功率段的汽车电子领域，以及高功率段的工业电子领域。相比于横向器件，GaN纵向功率器件能提供更高的功率密度、更好的动态特性、更佳的热管理及更高的晶圆利用率，近些年已取得了重要的进展。而大尺寸、低成本的硅衬底GaN纵向功率器件更是吸引了国内外众多科研团队的目光。

中科院苏州纳米所孙钱研究团队在读博士研究生郭小路及其他团队成员的合作攻关下，经过近三年时间的不懈努力，先后在高质量异质外延材料生长及掺杂精确调控、器件关态电子输运机制及高压击穿机制、高性能离子注入保护环的终端开发等核心技术上取得突破，该系列研究工作先后发表于电子器件领域国际专业学术期刊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。

团队成功研制出的高性能硅衬底GaN基垂直肖特基二极管，具有优异的正向导通性能（Ron=1.0 mΩ·cm²），开关比高达10¹¹，理想因子低至1.06，正向输出电流1660A/cm²。器件的关态耐压达603V，器件的Baliga优值（衡量器件正反向电学性能的综合指标）为0.26GW/cm²。器件在175℃的高温及380V反向偏压下，开关性能仍未发生失效，综合实现了耐高温、耐高压等优异特性。硅衬底GaN基纵向功率二极管器件性能目前处于国际前列。

上述系列工作的主要作者为中科院苏州纳米所在读博士研究生郭小路，团队特别研究助理钟耀宗博士和已毕业博士生何俊蕾等为相关工作作出了重要贡献，通讯作者为孙钱研究员和周宇副研究员。上述工作得到了国家自然科学重点基金项目、国家重点研发计划课题、中国科学院重点前沿科学研究计划、江苏省重点研发计划项目等资助。

图1 GaN 水平器件与垂直器件的特点比较

图2  GaN基纵向功率二极管的关态击穿电压与开态导通电阻（Ron,sp）的评价体系。国内外相关研究团队的自支撑衬底和硅衬底GaN基肖特基势垒二极管（SBD）,结势垒肖特基二极管（JBS），凹槽MOS型肖特基二极管（TMBS）器件性能的比较。

图3 （a）硅基GaN纵向功率二极管的外延结构（b）外延材料的CLmapping（c）器件的结构示意图（d）制备器件的离子注入保护环

图4 （a）线性坐标下与（b）对数坐标下有、无离子注入保护环(GR)终端的硅基GaN纵向SBD的正向IV曲线（c）不同温度下硅基GaN纵向SBD的开态导通电阻（d）离子注入保护环个数对反向击穿耐压的影响。(e)有、无离子注入保护环对硅基GaN纵向SBD温度特性的影响。