【学术进展】 Si基AlGaN/GaN功率半导体器件的研制和TCAD模型研究

抖音热门 2025年09月05日 12:09 1 admin

背景与亮点

以GaN、SiC为代表的宽禁带半导体功率器件具有优异的高频特性、高功率密度和能量转换效率，因此在数据中心、消费电子、电动汽车、光伏等领域展现出广阔前景；也为GaN在低成本和大规模Si衬底上的异质外延技术指明了应用方向；Si上GaN具有成本低，并与Si基CMOS兼容、集成等优势。然而Si与GaN之间存在的较大晶格失配和热失配是制约Si基GaN技术发展的主要瓶颈，由失配产生的位错与应力会严重影响结晶质量，影响器件性能的可靠性。

近期，河北工业大学、广东工业大学、中国科学院长春光学精密机械与物理研究所和南方科技大学联合研究团队开发了一种基于沟槽n+-GaN盖帽层与薄Si3N4介质层协同作用的硅基AlGaN/GaN凹槽阳极肖特基势垒二极管（SBD），该设计实现了器件比导通电阻的降低、漏电流的减小及击穿电压的提升；同时研究人员开发了Si上GaN功率半导体器件的仿真模型。

研究分析发现，与没有n+-GaN盖帽层的参考器件相比，n+-GaN盖帽层将AlGaN/GaN界面的二维电子气（2DEG）浓度提升了约两倍【见图1（c）】，将比导通电阻降低至2.4 mΩ·cm2。同时，沟槽n+-GaN结构有效阻断了器件在关断状态下的表面导电通道；在沟槽n+-GaN结构区域制备的Si3N4介质层则显著减小了GaN表面刻蚀缺陷诱导的漏电流。最终，所研制的器件获得了约8 × 10-5 A·cm-2关态漏电流和876 V击穿电压，并将巴利加优值（BFOM）提高至319 MW·cm2（见图2）。该工作不仅为高性能GaN功率器件的开发提供了一种技术路径，也完善了Si基GaN功率半导体器件的物理模型。

图1.（a）无n+-GaN盖帽层的参考器件和（b）具有沟槽n+-GaN盖帽层的实验器件结构示意图；（c）有/无n+-GaN帽层的AlGaN/GaN异质结构的2DEG分布。

图2.（a）所设计的AlGaN/GaN SBD仿真与实验反向I-V特性曲线；本工作中制备的AlGaN/GaN SBD和其他已报道的横向AlGaN/GaN SBD的对比图：（b）Ron, sp与BV, （c）Von与反向漏电流。

该文章以题为“AlGaN/GaN-based SBDs grown on silicon substrates with trenched n+-GaN cap layer and local passivation layer to improve BFOM and dynamic properties”发表在Journal of Semiconductors上。

文章信息：

AlGaN/GaN-based SBDs grown on silicon substrates with trenched n+-GaN cap layer and local passivation layer to improve BFOM and dynamic properties

Zhizhong Wang, Jingting He, Fuping Huang, Xuchen Gao, Kangkai Tian, Chunshuang Chu, Yonghui Zhang, Shuting Cai, Xiaojuan Sun, Dabing Li, Xiao Wei Sun, and Zi-Hui Zhang

J. Semicond. 2025, 46(9), 092502. doi: 10.1088/1674-4926/25010024

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作者简介

第一作者

王志忠，河北工业大学宽禁带半导体团队博士研究生。

主要研究方向为GaN基宽禁带半导体功率器件物理与器件制备，以第一作者发表学术论文3篇。

通讯作者

张紫辉，广东工业大学百人计划特聘教授、博士生导师、省高层人才入选者、市管拔尖人才。

2006年毕业于山东大学并获得理学学士学位，2015年毕业于新加坡南洋理工大学并获博士学位。主要研究宽禁带半导体器件、半导体器件物理、芯片设计与仿真技术及产业化推广；已经在Applied Physics Letters、IEEE Electron Devices等领域内权威SCI 期刊发表科研论文200多篇，参与出版学术专著5部；获授权美国专利、中国国家专利共计40项，已经完成成果转化5项；先后主持国家自然科学基金3项（其中重点项目1项）、参与科技部重点研发计划2项，承担KGJ、省部级及各类人才项目、企业横向课题20多项。

来源：半导体学报

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