氮化鎵（GaN）基電子器件具有高頻、高效、耐高溫及抗輻射等特性，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(lǐng)域凸顯出應(yīng)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(jié)構(gòu)）間嚴(yán)重的晶格失配和熱失配，GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)外延薄膜不可避免地存在高密度線性位錯（約108 cm-2），遠高于硅和碳化硅等半導(dǎo)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(dǎo)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(yīng)用拓展的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

中國科學(xué)院微電子研究所聯(lián)合中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所、北京大學(xué)、香港科技大學(xué)、劍橋大學(xué)、武漢大學(xué)和蘇州能訊高能半導(dǎo)體有限公司等，首次澄清了GaN異質(zhì)外延中螺位錯和刃位錯對GaN基功率電子器件的關(guān)鍵可靠性-動態(tài)導(dǎo)通電阻退化的影響機理，構(gòu)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(dāng)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。

研究團隊利用課題組前期開發(fā)的深能級瞬態(tài)譜測試系統(tǒng)、低溫光致發(fā)光、導(dǎo)電/電勢原子力顯微鏡等多種先進表征方法，結(jié)合第一性原理計算，從原子層級明確了螺位錯在其開核側(cè)壁誘導(dǎo)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”。刃位錯則在其周圍誘導(dǎo)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”。

研究團隊在650-V級GaN基HEMT器件上進行了電學(xué)測試驗證，發(fā)現(xiàn)即便總位錯密度較低，螺位錯主導(dǎo)的器件在高壓開關(guān)應(yīng)力作用下，其動態(tài)導(dǎo)通電阻退化幅度仍顯著高于刃位錯主導(dǎo)器件。該現(xiàn)象印證了螺位錯易導(dǎo)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。

該研究成果為GaN器件中的“缺陷工程”開辟了新思路，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(jié)構(gòu)缺陷。該策略有望推廣至其他半導(dǎo)體材料體系，為構(gòu)建“位錯電子學(xué)”理論體系奠定基礎(chǔ)。

相關(guān)研究成果以Dislocation-Assisted Electron and Hole Transport in GaN Epitaxial Layers為題，發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金等的支持。

GaN外延中位錯電子-空穴雙通道輸運模型

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-025-61510-w

（來源：中國科學(xué)院 微電子研究所）