氮化鎵(GaN)基電子器件憑借高頻、高效、耐高溫及抗輻射等卓越特性，已成為下一代高效電力電子與射頻電子系統(tǒng)的核心支撐器件，在5G/6G通信、智能消費(fèi)電子等領(lǐng)域展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。然而，由于外延襯底與GaN基外延層之間存在嚴(yán)重的晶格失配和熱失配，GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)外延薄膜中不可避免地存在高密度線性位錯(cuò)(約10? cm?2)，這一數(shù)值遠(yuǎn)高于Si和SiC等傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料。這些位錯(cuò)引起的漏電與可靠性退化問題，成為限制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)。

針對這一技術(shù)難題，中國科學(xué)院微電子研究所GaN基功率電子器件研發(fā)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合北京大學(xué)、香港科技大學(xué)、劍橋大學(xué)、武漢大學(xué)、中國科學(xué)院半導(dǎo)體所和蘇州能訊高能半導(dǎo)體有限公司等單位，首次明確闡釋了GaN異質(zhì)外延中不同類型位錯(cuò)對器件性能的影響機(jī)理。研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地構(gòu)建了"雙通道位錯(cuò)輸運(yùn)"模型，揭示了GaN外延層中螺位錯(cuò)和刃位錯(cuò)分別作為電子與空穴的獨(dú)立傳輸路徑，對器件漏電和動態(tài)電阻退化產(chǎn)生截然不同的影響。

研究團(tuán)隊(duì)運(yùn)用課題組自主開發(fā)的創(chuàng)新模式深能級瞬態(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(jìn)表征方法，結(jié)合第一性原理計(jì)算，從原子層級深入剖析了位錯(cuò)的微觀機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，螺位錯(cuò)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(shí)在位錯(cuò)核心區(qū)域形成電子勢阱，構(gòu)成貫穿外延層的"電子通道"；而刃位錯(cuò)則在周圍誘導(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"。

在650-V級GaN基HEMT器件上的電學(xué)測試進(jìn)一步驗(yàn)證了這一理論。研究表明，即使總位錯(cuò)密度較低，螺位錯(cuò)主導(dǎo)的器件在高壓開關(guān)應(yīng)力作用下，其動態(tài)導(dǎo)通電阻退化幅度顯著高于刃位錯(cuò)主導(dǎo)器件。這一現(xiàn)象證實(shí)了螺位錯(cuò)易導(dǎo)致電子泄漏、電荷堆積與電流崩塌，而刃位錯(cuò)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。

這項(xiàng)研究啟示我們，通過外延工藝調(diào)控螺位錯(cuò)與刃位錯(cuò)的比例，有望在保持整體晶體質(zhì)量的前提下，實(shí)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)新性地提出將位錯(cuò)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。這一策略有望推廣至其他半導(dǎo)體材料體系，為構(gòu)建"位錯(cuò)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Nature Communications上。中國科學(xué)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(xué)沈波教授和香港科技大學(xué)Kevin J. Chen教授為論文的共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)、面上及青年基金項(xiàng)目，中國科學(xué)院-香港裘搓基金以及"中國科學(xué)院微電子研究所-香港科技大學(xué)微電子聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室"等項(xiàng)目的資助。

【圖1】GaN外延中位錯(cuò)電子-空穴雙通道輸運(yùn)模型：電子在螺位錯(cuò)(TSD)輔助下，經(jīng)由ETSD淺電子能級和φTSD電子勢阱共同作用實(shí)現(xiàn)輸運(yùn)；空穴則在刃位錯(cuò)(TED)的輔助下，于刃位錯(cuò)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(yùn)。