氮化鎵技術又有新突破！

6月3日，北京大學物理學院官網宣布，他們用硅晶圓制作了GaN晶體，并制備了GaN基功率器件，“這是國際上首次”，不僅物理性能優異，而且“極具成本優勢”。

以GaN基PND器件為例，其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。

同時，由于采用硅晶圓，它可以用“極低廉的襯底成本”，來制作氮化鎵器件，從而能夠以更低的成本去搶占快充、服務器，甚至汽車等市場，市場前景廣闊。

這項技術得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃等支持，相關成果最近發表在《應用物理快報》，并被選為編輯精選。

插播：加入第三代半導體大佬群，請加微信：hangjiashuo666。

硅晶圓生長GaN晶體

實現3.3 MV/cm，刷新記錄

據介紹，北京大學物理學院胡曉東教授與美國UCLA謝亞宏教授、日本名古屋大學天野浩教授（諾貝爾物理學獎得主）合作，開發了一種獨特的外延生長技術，制備了GaN基SBD和GaN基PND。

經測試，這些GaN基器件的物理性能非常優異。

在PND上，理想因子n下探至1.8，其室溫擊穿電壓達到490 V，而且在單邊結模型下（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，高于其他報道的同質外延GaN基器件的耐壓值。

圖1：GaN基PND的I-V特性。

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。

圖2：GaN基SBD的I-V特性。

北京大學如何做到？

三維蛇形通道襯底

簡單來說，這項外延技術先制備具有三維蛇形通道的立體疊層掩膜襯底，然后在硅晶圓上異質外延生長了高質量的GaN晶體。

胡教授認為，在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。

具體生長流程如下：

首先，在異質襯底上進行蛇形通道掩膜。 

然后，GaN在通道中生長。

第三步，橫向生長n⁺-GaN，并生長AlGaN來引入AlN覆蓋掩膜。

第四步，橫向生長n^--GaN。

第五步，對于PND器件，繼續橫向生長p-GaN。

氮化鎵器件制備的2大難題

眾所周知，GaN材料的擊穿電壓理論上可達到、甚至大于 3mV/cm 的水平， 是硅的10倍 （0.3MV/cm），因此，憑借這個優勢，理論上GaN器件能夠替代超過67%的硅器件市場。

但是，目前全球還沒有適合商用的GaN同質襯底，盡管三菱化學正在建線，準備生產4英寸的氮化鎵襯底（.點這里.），但是價格會非常高。

因此，業界將目光轉向了廉價的大尺寸硅襯底上，希望通過生長GaN外延層來制備功率器件。但是，由于硅襯底的導電性和低的臨界擊穿電場會導致產生垂直方向擊穿問題。所以，提高硅基氮化鎵功率器件的擊穿電壓是急需攻克的關鍵問題。

盡管，有機構已經將硅基氮化鎵的硬擊穿電壓做到了1800V（.點這里.），但是緩沖層太厚會導致外延生長時間變長，從而極大的提高外延生產成本。

北京大學的新技術有望破解這兩大瓶頸。

第三代半導體白皮書可以預定了！！快點擊左下角“閱讀原文”

相關閱讀：

參編單位集結號！2021第三代半導體白皮書調研啟動

國內又有全碳化硅地鐵！！未來5年成主流？

募資20億！這家碳化硅企業將要上市

能耗降低70%！鐵路公司加碼布局全碳化硅