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、智能消費電子等領域凸顯出應用優(yōu)勢。GaN基器件主要基于異質外延材料制作，由于外延襯底與GaN基外延層（如AlGaN/GaN異質結構）間嚴重的晶格失配和熱失配，GaN基異質結構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體材料。螺位錯、刃位錯以及兩者的混合位錯是GaN基異質外延中最主要的位錯類型，這些位錯誘導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用拓展的關鍵挑戰(zhàn)。

中國科學院微電子研究所聯合中國科學院半導體研究所、北京大學、香港科技大學、劍橋大學、武漢大學和蘇州能訊高能半導體有限公司等，首次澄清了GaN異質外延中螺位錯和刃位錯對GaN基功率電子器件的關鍵可靠性-動態(tài)導通電阻退化的影響機理，構建了“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、導電/電勢原子力顯微鏡等多種先進表征方法，結合第一性原理計算，從原子層級明確了螺位錯在其開核側壁誘導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器件上進行了電學測試驗證，發(fā)現即便總位錯密度較低，螺位錯主導的器件在高壓開關應力作用下，其動態(tài)導通電阻退化幅度仍顯著高于刃位錯主導器件。該現象印證了螺位錯易導致電子泄漏、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，通過外延工藝調控螺位錯與刃位錯的比例，有望在保持整體晶體質量的前提下，實現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，而非單純的有害結構缺陷。該策略有望推廣至其他半導體材料體系，為構建“位錯電子學”理論體系奠定基礎。

相關研究成果以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：中國科學院 微電子研究所）