GaN同質外延中的雪崩特性研究

當前，人們正在致力于研發氮化鎵和其他III族氮化物的高功率、高頻率器件。這些應用的主要材料優勢在于氮化鎵的高電場強度，而隨著逐漸向富鋁氮化物發展，其電場強度只會增加。關于氮化鎵的雪崩擊穿相關數據仍然非常有限，而且由于它仍然不是氮化鎵中常見的擊穿形式，富鋁氮化鎵的雪崩擊穿數據更是缺失。材料缺陷存在問題，導致結電路器件過早擊穿。

此外，設備邊緣終止仍然是一個問題，在許多情況下，雪崩擊穿被設備周邊所支配。此外，除非三種因素——材料質量、器件設計和加工——都得到了優化，以確保行為良好的均勻雪崩倍增和擊穿，否則很少能獲得關于高場材料性質的確鑿信息。

近期，在第九屆國際第三代半導體論壇（IFWS）&第二十屆中國國際半導體照明論壇（SSLCHINA）——“氮化物襯底、外延生長及其相關設備技術”分會上，香港中文大學（深圳）冀東做了“GaN同質外延中的雪崩特性”的主題報告，介紹了最新研究進展，涉及GaN同質外延中雪崩擊穿的表征、GaN同質外延中碰撞電離系數測量，以及功率器件和雪崩光電二極管的應用等。

報告指出，直到2013年，氮化鎵p-n二極管中才報告了雪崩擊穿現象。自第一份關于雪崩的報告以來，已經有其他報告討論了雪崩。除了早期幾項基于外國襯底生長的氮化鎵和氮化鎵肖特基二極管的沖擊電離系數研究外，最近至少有三項不同的研究報告了使用p-n結估算沖擊電離系數的方法，這依賴于雪崩倍增。

報告中討論III族氮化物中雪崩現象的物理原理和應用，主要以氮化鎵作為示例。了解寬禁帶材料中的擊穿現象對器件和電路社區非常有興趣，因為它直接影響到這些新興半導體的設計和應用。報告回顧已經報道的各種估算氮化鎵中沖擊電離系數的方法，討論關鍵電場的估算，然后介紹其團隊最近展示的幾種基于雪崩效應的器件。

其中，報告顯示，GaN雪崩特性一涉及擊穿電壓的正溫度系數，GaN中雪崩特性二涉及電致發光現象，電致發光可以用來檢測雪崩擊穿是否均勻。非均勻性擊穿是由電場分布不均勻引起的，會造成器件邊緣局部擊穿，從而引起局部過熱，毀壞器件。氮化鎵擁有最小的碰撞電離系數，并且電子的系數小于空穴的系數。同質外延GaN擊穿電場強度可以達到3.9MV/cm，遠大于水平器件中的數值 (1MV/cm)。

雪崩擊穿特性的應用一是電力電子開關。雪崩擊穿特性的應用二是光電探測，雪崩光電二極管利用半導體材料雪崩擊穿特性，對入射光信號進行放大，得到較大的電信號。報告指出，氮化鎵器件中的漏電流與外延的位錯密度正相關。氮化鎵雪崩擊穿過程中具有正向溫度系數以及電致發光現象。氮化鎵雪崩特性對于功率器件與光電探測器件都非常重要。

審核編輯：劉清