近日，深圳平湖實驗室在GaN/SiC集成領域取得突破性進展，在國際上首次研制了商用8英寸4°傾角4H-SiC襯底上的高質量AlGaN/GaN異質結構外延（如圖1）。 該成果打破了大尺寸GaN與SiC材料單片集成的技術瓶頸，為GaN/SiC混合器件的發展及其產業化進程奠定基礎，可批量應用于大尺寸、高質量GaN外延材料的制備，為現有硅基GaN技術路線提供了一種極具競爭力的替代方案。
其突破性在于：
1）缺陷密度顯著降低：GaN外延材料中的缺陷密度下降10~15倍,有望從根本上解決GaN器件的可靠性問題、通過10年以上壽命驗證；
2）散熱性能大幅提升：SiC襯底的高熱導率將進一步提升GaN器件的功率密度與集成度。
這項重大進展將為寬禁帶半導體在新能源汽車、消費電子、人工智能等領域的規模化應用提供重要技術支撐。
碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）作為第三代半導體的代表，憑借高禁帶寬度、高擊穿場強、高電子飽和速度和高熱導率等優異特性，特別適合制造高頻、高功率、耐高溫、抗輻照器件，廣泛應用于新能源車、消費電子、光伏、電網等領域。
基于同質外延的4H-SiC器件具有低缺陷、高耐壓、抗雪崩優勢，但面臨低溝道遷移率和柵氧可靠性挑戰。GaN HEMT擁有高開關頻率和高溝道遷移率，但受限于Si基異質外延的高缺陷密度和橫向結構，在高可靠性、高耐壓及抗雪崩應用上競爭力不足。如何整合兩者特性、實現優勢互補是產業界和學術界的重大探索方向。
近年來，GaN/SiC混合晶體管成為研究熱點。它結合了GaN的高遷移率/開關速度與SiC的高導熱/抗雪崩能力，同時實現無動態電阻退化和優異的熱穩定性。為了充分發揮其潛力，GaN/SiC單片集成是最優路徑，即在SiC器件結構上外延生長GaN基異質結構。
然而，為了獲得高質量SiC外延和器件，商用SiC功率器件均是基于4°傾角的4H-SiC襯底，而常用作GaN外延的SiC襯底是無傾角的。在過去，4°傾角襯底會導致GaN外延層出現臺階聚集、表面粗糙、晶體質量下降及各向異性電性能等退化。隨著GaN和SiC技術邁入8英寸時代，對大尺寸外延的均勻性和應力控制提出了更高要求。因此，如何在大尺寸4°傾角SiC襯底上實現高質量GaN外延，成為GaN/SiC異質集成及其產業化亟待解決的核心難題。
圖1 (a) 8英寸4H-SiC襯底上GaN外延片實物照片 (b) 2μm GaN外延層的截面透射電子顯微鏡照片 (c) AlN成核層與4°off-axis 4H-SiC界面可見特征性的7 nm寬度原子臺階與周期性的位錯結構
深圳平湖實驗室開發的8英寸4°傾角4H-SiC上GaN外延片具有良好的均勻性與平整度。PL測試顯示（如圖2），AlGaN/GaN異質結構勢壘層的Al組分不均勻度約為1.2%；厚度不均勻度約為2.2%。對該外延片進行平整度測試，得到彎曲度(Bow)僅為＋8.3 μm。
圖2 (a) AlGaN/GaN異質結構勢壘層PL測試圖譜 (b) 外延厚度測試圖譜 (c) 8英寸SiC上GaN外延片翹曲測試，Bow = 8.3 μm
對該外延片進行高分辨X射線衍射測試，4°傾角SiC襯底上GaN外延層的(002)/(102)面搖擺曲線半峰寬分別為290/ 296 arcsec，估算可得位錯密度約為6×108cm-2，與無傾角SiC襯底上GaN外延層的晶體質量相當；相比常規Si襯底上GaN，材料位錯密度降低10~15倍（如圖3）。原子力顯微鏡測試表明，外延層表面粗糙度RMS=1.6 nm(5μm×5μm)（如圖3）。Hall測試表明，AlGaN/GaN異質結構的二維電子氣遷移率高達1870 cm2/V·s（如圖4）。 以上各項指標均達到國際領先水平，顯示該外延片具有優秀的材料特性。
圖3 (a) 4°傾角SiC襯底上GaN外延層的XRD (002)/(102)面搖擺曲線 (b) 外延層表面的原子力顯微鏡照片
圖4 SiC襯底上AlGaN/GaN異質結構的霍爾測試結果
（來源：深圳平湖實驗室）
