中科院团队搞定氮化镓功率器件两大技术难题

近日，在功率半导体领域的国际顶级学术会议IEEE ISPSD 2026中，来自中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所的孙钱研究员课题组，连续发布了两项关于氮化镓功率器件的重要科研成果。这两项研究分别针对高压氮化镓器件在实际工程应用中遇到的导通电阻过高以及栅极阈值电压漂移等长期存在的技术痛点，提供了从底层物理机制到顶层器件结构的全面解决策略。

针对高压功率器件中传统硅基和碳化硅基双极型器件依赖长少子寿命来降低导通损耗，而氮化镓材料因少子寿命极短导致高压场景下导通性能受限的问题，该团队取得了重要进展。学术界曾提出通过回收再激发辐射复合光子来延长等效少子寿命的设想，但一直缺乏实验证明。孙钱课题组基于高质量氮化镓同质外延衬底，研发出一种带有小斜角台面边缘终端结构的垂直pn二极管。测试数据显示，该器件的阻断电压达到3000伏，实测比导通电阻仅为0.18毫欧·平方厘米。与材料本征属性计算出的3毫欧·平方厘米理论值相比，下降幅度超过十倍，展现出优异的电导率调制能力。相关电致发光等测试证实，该结构能有效约束光子并引发光子再吸收，这是十多年来首次在实验上证实光子回收对提升氮化镓器件性能的作用。该成果被列为会议相关分会场的首篇口头报告。

在p型氮化镓栅增强型高电子迁移率晶体管方面，由于其栅极结构在强电场和高频工作环境下容易捕获载流子，导致严重的阈值电压动态漂移现象。研究团队在前期工作的基础上，剖析了空穴积累引发阈值电压负移的物理原理。他们在铝镓氮势垒层中创新性地加入了一层氮化镓插入层，为空穴提供了导流释放通道。实验证实，这一设计使动态阈值电压漂移减少了85%以上，被成功限制在0.2伏以内。此外，该复合势垒层结构还利用氮化镓插入层的热分解自终止刻蚀特性，实现了低界面态凹槽栅的均匀制备，将器件阈值电压的晶圆级标准差从170毫伏大幅降至70毫伏，显著提升了器件一致性并降低了栅极漏电流。相关论文已在本次会议上发表。

据悉，上述两项科研工作均获得了国家自然科学基金、国家重点研发计划以及中国科学院战略性先导科技专项等多项国家级和省级科研项目的资助。