GaN同质外延中的雪崩特性研究

当前，人们正在致力于研发氮化镓和其他III族氮化物的高功率、高频率器件。这些应用的主要材料优势在于氮化镓的高电场强度，而随着逐渐向富铝氮化物发展，其电场强度只会增加。关于氮化镓的雪崩击穿相关数据仍然非常有限，而且由于它仍然不是氮化镓中常见的击穿形式，富铝氮化镓的雪崩击穿数据更是缺失。材料缺陷存在问题，导致结电路器件过早击穿。

此外，设备边缘终止仍然是一个问题，在许多情况下，雪崩击穿被设备周边所支配。此外，除非三种因素——材料质量、器件设计和加工——都得到了优化，以确保行为良好的均匀雪崩倍增和击穿，否则很少能获得关于高场材料性质的确凿信息。

近期，在第九届国际第三代半导体论坛（IFWS）&第二十届中国国际半导体照明论坛（SSLCHINA）——“氮化物衬底、外延生长及其相关设备技术”分会上，香港中文大学（深圳）冀东做了“GaN同质外延中的雪崩特性”的主题报告，介绍了最新研究进展，涉及GaN同质外延中雪崩击穿的表征、GaN同质外延中碰撞电离系数测量，以及功率器件和雪崩光电二极管的应用等。

报告指出，直到2013年，氮化镓p-n二极管中才报告了雪崩击穿现象。自第一份关于雪崩的报告以来，已经有其他报告讨论了雪崩。除了早期几项基于外国衬底生长的氮化镓和氮化镓肖特基二极管的冲击电离系数研究外，最近至少有三项不同的研究报告了使用p-n结估算冲击电离系数的方法，这依赖于雪崩倍增。

报告中讨论III族氮化物中雪崩现象的物理原理和应用，主要以氮化镓作为示例。了解宽禁带材料中的击穿现象对器件和电路社区非常有兴趣，因为它直接影响到这些新兴半导体的设计和应用。报告回顾已经报道的各种估算氮化镓中冲击电离系数的方法，讨论关键电场的估算，然后介绍其团队最近展示的几种基于雪崩效应的器件。

其中，报告显示，GaN雪崩特性一涉及击穿电压的正温度系数，GaN中雪崩特性二涉及电致发光现象，电致发光可以用来检测雪崩击穿是否均匀。非均匀性击穿是由电场分布不均匀引起的，会造成器件边缘局部击穿，从而引起局部过热，毁坏器件。氮化镓拥有最小的碰撞电离系数，并且电子的系数小于空穴的系数。同质外延GaN击穿电场强度可以达到3.9MV/cm，远大于水平器件中的数值 (1MV/cm)。

雪崩击穿特性的应用一是电力电子开关。雪崩击穿特性的应用二是光电探测，雪崩光电二极管利用半导体材料雪崩击穿特性，对入射光信号进行放大，得到较大的电信号。报告指出，氮化镓器件中的漏电流与外延的位错密度正相关。氮化镓雪崩击穿过程中具有正向温度系数以及电致发光现象。氮化镓雪崩特性对于功率器件与光电探测器件都非常重要。

审核编辑：刘清