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(tǒng)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(yōu)異的應用優(yōu)勢。GaN基器件主要基于異質(zhì)外延材料制作，由于外延襯底與GaN基外延層（如AlGaN/GaN異質(zhì)結構）間嚴重的晶格失配和熱失配，GaN基異質(zhì)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(zhì)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(zhàn)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(fā)團隊聯(lián)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(zhì)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(tài)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(tài)電阻的退化產(chǎn)生相反的影響。
團隊基于課題組前期開發(fā)的創(chuàng)新模式深能級瞬態(tài)譜（DLTS）測試系統(tǒng)、低溫光致發(fā)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(tài)，同時在位錯核心區(qū)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(xù)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(fā)現(xiàn)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(tài)導通電阻退化幅度顯著高于刃位錯主導器件。該現(xiàn)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(tài)性能衰退。研究提示，通過外延工藝調(diào)控螺位錯與刃位錯的比例，有望在保持整體晶體質(zhì)量的前提下，實現(xiàn)GaN功率器件在漏電與動態(tài)可靠性之間的最優(yōu)平衡。該成果為GaN器件中的“缺陷工程”開辟了新思路，創(chuàng)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(fā)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(lián)合實驗室”?等項目的資助。
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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(jīng)由?ETSD淺電子能級和φTSD?電子勢阱共同作用實現(xiàn)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(fā)射三類路徑完成輸運。
（來源：中國科學院微電子研究所）