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的核心支撐器件,已在?5G/6G 通信、智能消費電子等領域凸顯出優異的應用優勢。GaN基器件主要基于異質外延材料制作,由于外延襯底與GaN基外延層(如AlGaN/GaN異質結構)間嚴重的晶格失配和熱失配,GaN基異質結構外延薄膜不可避免地存在高密度線性位錯(約10? cm?2),遠高于Si和SiC等半導體材料。螺位錯、刃位錯以及兩者的混合位錯是GaN基異質外延中最主要的位錯類型,這些位錯誘導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用拓展的關鍵挑戰之一。

針對上述問題,中國科學院微電子研究所GaN基功率電子器件研發團隊聯合北京大學、香港科技大學、劍橋大學、武漢大學、中國科學院半導體所和蘇州能訊高能半導體有限公司等單位,首次澄清了GaN異質外延中螺位錯(open-core)和刃位錯對GaN基功率電子器件的關鍵可靠性-動態導通電阻退化的影響機理,構建了“雙通道位錯輸運”模型,明確了GaN外延層中螺位錯和刃位錯可分別充當電子與空穴的獨立傳輸路徑,對器件漏電和動態電阻的退化產生相反的影響。

團隊基于課題組前期開發的創新模式深能級瞬態譜(DLTS)測試系統、低溫光致發光(PL)、導電/電勢原子力顯微鏡(c-AFM/EFM)等多種先進表征方法,結合第一性原理計算,從原子層級明確了螺位錯在其開核(open-core)側壁誘導形成縱向連通的超淺能級電子態,同時在位錯核心區域形成電子勢阱,形成貫穿外延層的“電子通道”;而刃位錯則在其周圍誘導形成連續分布的空穴陷阱,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”。團隊在650-V?級GaN基HEMT器件上進行了電學測試驗證,發現即便總位錯密度較低,螺位錯主導的器件在高壓開關應力作用下,其動態導通電阻退化幅度顯著高于刃位錯主導器件。該現象印證了螺位錯易導致電子泄漏、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,從而減輕動態性能衰退。研究提示,通過外延工藝調控螺位錯與刃位錯的比例,有望在保持整體晶體質量的前提下,實現GaN功率器件在漏電與動態可靠性之間的最優平衡。該成果為GaN器件中的“缺陷工程”開辟了新思路,創新提出將位錯視為可工程化的一維載流子管道,而非單純的有害結構缺陷。該策略有望推廣至其他半導體材料體系,為構建“位錯電子學”?理論體系奠定基礎。

研究成果以?“Dislocation-Assisted Electron and Hole Transport in GaN Epitaxial Layers” 為題發表在?Nature Communications(DOI:?10.1038/s41467-025-61510-w)。中國科學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、北京大學沈波教授和香港科技大學?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基金重點、面上及青年基金項目,中國科學院-香港裘搓基金以及?“中國科學院微電子研究所-香港科技大學微電子聯合實驗室”?等項目的資助。

圖?1?GaN外延中位錯電子-空穴雙通道輸運模型:電子在螺位錯(TSD)輔助下,經由?ETSD淺電子能級和φTSD?電子勢阱共同作用實現輸運;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、慢速和直接發射三類路徑完成輸運。