• 研究背景

氮化镓高电子迁移率晶体管 (GaN HEMTs) 因具备高电子饱和漂移速度、高临界击穿场强和低导通损耗等优势，被认为是下一代高频、高压功率电子器件的重要发展方向。然而，传统异质衬底 GaN 器件在外延过程中往往受到晶格失配和热失配的影响，容易引入较高密度的位错和缺陷，进而导致漏电增大、击穿性能受限以及长期工作可靠性下降。

针对这一问题，西安电子科技大学郝跃、马晓华团队围绕 GaN 衬底上的 GaN HEMTs 开展了系统研究，并与传统 GaN-on-SiC HEMTs 进行了对比。研究结果表明：基于 GaN 衬底的同质外延结构可将位错密度降低 83.3%，显著缓解初始张应力，使器件实现 755 V 的高击穿电压、0.6 mΩ·cm² 的低比导通电阻，以及 950 MW/cm² 的优异 Baliga 功率优值 (BFOM)；同时，在反向栅极阶梯应力、关态漏极阶梯应力和开态电应力测试下，器件均表现出更优异的稳定性与抗退化能力。

图1. GaN-on-GaN结构与GaN-on-SiC结构中 (a) (102) 晶面及 (b) (002) 晶面的摇摆曲线。

在直流电学性能方面 (图2)，GaN-on-GaN HEMTs 展现出更加优异的综合表现：器件最大饱和电流密度达到 979 mA/mm，与对比样品相当；但其关态漏电流显著降低至 (2.6×10^-6) mA/mm，电流开关比提升至 (3.2×10⁸)。在源漏间距为 8 μm 时，器件击穿电压达到 755 V，明显优于 GaN-on-SiC HEMTs 的 457 V。结合 0.6 mΩ·cm² 的低比导通电阻，器件实现了 950 MW/cm² 的 BFOM，体现出 GaN 衬底 GaN HEMTs 在高效功率开关应用中的突出潜力。

图2. (a) GaN-on-SiC HEMTs 与 (b) GaN-on-GaN HEMTs 的 ID–VG 转移特性。(c) 不同衬底上 GaN HEMTs 的击穿电压。(d) 国际上不同研究机构报道的 RON-SP 与 BV 值的对比。

为进一步评估器件可靠性，作者开展了多种高场应力测试。在反向栅极阶梯应力测试中 (图3)，GaN-on-SiC HEMTs 在 (V_G=-95) V 时失效，而 GaN-on-GaN HEMTs 在测试仪器上限 (V_G=-200) V 内仍保持稳定，仅在更高应力区域才出现明显噪声特征；同时，其关态栅漏与开关比变化极小，说明同质外延结构能够有效抑制高场诱导缺陷与栅极泄漏通道的形成。

图3. 反向栅极台阶应力实验中 (a) GaN-on-SiC HEMTs 与(b) GaN-on-GaN HEMTs 的 IG、IS 及 ID 变化。

在关态漏极阶梯应力测试中 (图4)，GaN-on-GaN HEMTs 的临界应力水平接近对比器件的两倍，且在 (V_D=200) V 的测试上限内仍能稳定工作，而 GaN-on-SiC HEMTs 在 150 V 时已发生失效。进一步结合漏极电阻演化和漏电机理分析可知：高场下器件退化与 AlGaN 势垒层中陷阱积累及新缺陷生成密切相关，而低位错密度的 GaN-on-GaN 结构能够显著延缓这一退化过程。

图4. (a) GaN-on-SiC HEMTs 与 (b) GaN-on-GaN HEMTs 在关态漏极台阶应力实验中 I_G、I_S 及 I_D 的变化。

此外，在模拟实际工作条件的开态电应力测试中 (图5)，作者对器件施加了 VD=30 V、VG=0 V 的持续偏压应力，测试时间最长达到 10000 s。结果表明，GaN-on-SiC HEMTs 在 1000 s 后已出现明显的栅电流退化和漏极电阻上升，而 GaN-on-GaN HEMTs 在整个 10000 s 测试过程中始终保持稳定，进一步证明GaN 衬底同质外延器件在长期功率开关应用中具备更强的可靠性。

图5. (a) 开态应力测试示意图。(b) IG 与 (c) 归一化 RD 随开启状态应力时间的变化关系。

• 研究总结

本工作系统揭示了位错密度对 GaN HEMTs 高场可靠性的关键影响，并证明了GaN 衬底同质外延策略在提升器件击穿性能与长期稳定性方面的显著优势。通过降低位错密度、减小初始张应力并抑制缺陷诱导漏电通道，GaN-on-GaN HEMTs 同时实现了高击穿电压、低导通电阻和优异的多应力可靠性。

该研究表明，GaN 衬底 GaN HEMT 技术有望为高压、高效率、高可靠功率电子器件提供新的实现路径，并在电动汽车、可再生能源变换系统以及工业电力电子等应用场景中展现出重要潜力。

阅读英文原文：https://www.mdpi.com/2079-4991/15/24/1882

• 相关特刊

本篇文章来源于Nanomaterials 期刊西安电子科技大学武玫副教授主持的特刊“Electro-Thermal Transport in Nanometer-Scale Semiconductor Devices”。

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• Nanomaterials 期刊介绍

主编：Eugenia Valsami-Jones, University of Birmingham, UK

期刊主题涵盖纳米材料 (纳米粒子、薄膜、涂层、有机/无机纳米复合材料、量子点、石墨烯、碳纳米管等)、纳米技术 (合成、表征、模拟等) 以及纳米材料在各个领域的应用 (生物医药、能源、环境、电子信息等)。

2024 Impact Factor：4.3 (JCR Q2*)

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* JCR Q2 at "Physics, Applied", "Chemistry, Multidisciplinary", "Materials Science, Multidisciplinary" and "Nanoscience and Nanotechnology" categories

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