近日，深圳平湖實驗室在GaN/SiC集成領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展，在國際上首次研制了商用8英寸4°傾角4H-SiC襯底上的高質(zhì)量AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)外延（如圖1）。 該成果打破了大尺寸GaN與SiC材料單片集成的技術(shù)瓶頸，為GaN/SiC混合器件的發(fā)展及其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程奠定基礎(chǔ)，可批量應(yīng)用于大尺寸、高質(zhì)量GaN外延材料的制備，為現(xiàn)有硅基GaN技術(shù)路線提供了一種極具競爭力的替代方案。
其突破性在于：
1）缺陷密度顯著降低：GaN外延材料中的缺陷密度下降10~15倍,有望從根本上解決GaN器件的可靠性問題、通過10年以上壽命驗證；
2）散熱性能大幅提升：SiC襯底的高熱導(dǎo)率將進(jìn)一步提升GaN器件的功率密度與集成度。
這項重大進(jìn)展將為寬禁帶半導(dǎo)體在新能源汽車、消費電子、人工智能等領(lǐng)域的規(guī)模化應(yīng)用提供重要技術(shù)支撐。
碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）作為第三代半導(dǎo)體的代表，憑借高禁帶寬度、高擊穿場強、高電子飽和速度和高熱導(dǎo)率等優(yōu)異特性，特別適合制造高頻、高功率、耐高溫、抗輻照器件，廣泛應(yīng)用于新能源車、消費電子、光伏、電網(wǎng)等領(lǐng)域。
基于同質(zhì)外延的4H-SiC器件具有低缺陷、高耐壓、抗雪崩優(yōu)勢，但面臨低溝道遷移率和柵氧可靠性挑戰(zhàn)。GaN HEMT擁有高開關(guān)頻率和高溝道遷移率，但受限于Si基異質(zhì)外延的高缺陷密度和橫向結(jié)構(gòu)，在高可靠性、高耐壓及抗雪崩應(yīng)用上競爭力不足。如何整合兩者特性、實現(xiàn)優(yōu)勢互補是產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界的重大探索方向。
近年來，GaN/SiC混合晶體管成為研究熱點。它結(jié)合了GaN的高遷移率/開關(guān)速度與SiC的高導(dǎo)熱/抗雪崩能力，同時實現(xiàn)無動態(tài)電阻退化和優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。為了充分發(fā)揮其潛力，GaN/SiC單片集成是最優(yōu)路徑，即在SiC器件結(jié)構(gòu)上外延生長GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)。
然而，為了獲得高質(zhì)量SiC外延和器件，商用SiC功率器件均是基于4°傾角的4H-SiC襯底，而常用作GaN外延的SiC襯底是無傾角的。在過去，4°傾角襯底會導(dǎo)致GaN外延層出現(xiàn)臺階聚集、表面粗糙、晶體質(zhì)量下降及各向異性電性能等退化。隨著GaN和SiC技術(shù)邁入8英寸時代，對大尺寸外延的均勻性和應(yīng)力控制提出了更高要求。因此，如何在大尺寸4°傾角SiC襯底上實現(xiàn)高質(zhì)量GaN外延，成為GaN/SiC異質(zhì)集成及其產(chǎn)業(yè)化亟待解決的核心難題。
圖1 (a) 8英寸4H-SiC襯底上GaN外延片實物照片 (b) 2μm GaN外延層的截面透射電子顯微鏡照片 (c) AlN成核層與4°off-axis 4H-SiC界面可見特征性的7 nm寬度原子臺階與周期性的位錯結(jié)構(gòu)
深圳平湖實驗室開發(fā)的8英寸4°傾角4H-SiC上GaN外延片具有良好的均勻性與平整度。PL測試顯示（如圖2），AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)勢壘層的Al組分不均勻度約為1.2%；厚度不均勻度約為2.2%。對該外延片進(jìn)行平整度測試，得到彎曲度(Bow)僅為＋8.3 μm。
圖2 (a) AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)勢壘層PL測試圖譜 (b) 外延厚度測試圖譜 (c) 8英寸SiC上GaN外延片翹曲測試，Bow = 8.3 μm
對該外延片進(jìn)行高分辨X射線衍射測試，4°傾角SiC襯底上GaN外延層的(002)/(102)面搖擺曲線半峰寬分別為290/ 296 arcsec，估算可得位錯密度約為6×108cm-2，與無傾角SiC襯底上GaN外延層的晶體質(zhì)量相當(dāng)；相比常規(guī)Si襯底上GaN，材料位錯密度降低10~15倍（如圖3）。原子力顯微鏡測試表明，外延層表面粗糙度RMS=1.6 nm(5μm×5μm)（如圖3）。Hall測試表明，AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的二維電子氣遷移率高達(dá)1870 cm2/V·s（如圖4）。 以上各項指標(biāo)均達(dá)到國際領(lǐng)先水平，顯示該外延片具有優(yōu)秀的材料特性。
圖3 (a) 4°傾角SiC襯底上GaN外延層的XRD (002)/(102)面搖擺曲線 (b) 外延層表面的原子力顯微鏡照片
圖4 SiC襯底上AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的霍爾測試結(jié)果
（來源：深圳平湖實驗室）