近日，深圳平湖实验室在GaN/SiC集成领域取得突破性进展，在国际上首次研制了商用8英寸4°倾角4H-SiC衬底上的高质量AlGaN/GaN异质结构外延（如图1）。 该成果打破了大尺寸GaN与SiC材料单片集成的技术瓶颈，为GaN/SiC混合器件的发展及其产业化进程奠定基础，可批量应用于大尺寸、高质量GaN外延材料的制备，为现有硅基GaN技术路线提供了一种极具竞争力的替代方案。
其突破性在于：
1）缺陷密度显著降低：GaN外延材料中的缺陷密度下降10~15倍,有望从根本上解决GaN器件的可靠性问题、通过10年以上寿命验证；
2）散热性能大幅提升：SiC衬底的高热导率将进一步提升GaN器件的功率密度与集成度。
这项重大进展将为宽禁带半导体在新能源汽车、消费电子、人工智能等领域的规模化应用提供重要技术支撑。
碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）作为第三代半导体的代表，凭借高禁带宽度、高击穿场强、高电子饱和速度和高热导率等优异特性，特别适合制造高频、高功率、耐高温、抗辐照器件，广泛应用于新能源车、消费电子、光伏、电网等领域。
基于同质外延的4H-SiC器件具有低缺陷、高耐压、抗雪崩优势，但面临低沟道迁移率和栅氧可靠性挑战。GaN HEMT拥有高开关频率和高沟道迁移率，但受限于Si基异质外延的高缺陷密度和横向结构，在高可靠性、高耐压及抗雪崩应用上竞争力不足。如何整合两者特性、实现优势互补是产业界和学术界的重大探索方向。
近年来，GaN/SiC混合晶体管成为研究热点。它结合了GaN的高迁移率/开关速度与SiC的高导热/抗雪崩能力，同时实现无动态电阻退化和优异的热稳定性。为了充分发挥其潜力，GaN/SiC单片集成是最优路径，即在SiC器件结构上外延生长GaN基异质结构。
然而，为了获得高质量SiC外延和器件，商用SiC功率器件均是基于4°倾角的4H-SiC衬底，而常用作GaN外延的SiC衬底是无倾角的。在过去，4°倾角衬底会导致GaN外延层出现台阶聚集、表面粗糙、晶体质量下降及各向异性电性能等退化。随着GaN和SiC技术迈入8英寸时代，对大尺寸外延的均匀性和应力控制提出了更高要求。因此，如何在大尺寸4°倾角SiC衬底上实现高质量GaN外延，成为GaN/SiC异质集成及其产业化亟待解决的核心难题。
图1 (a) 8英寸4H-SiC衬底上GaN外延片实物照片 (b) 2μm GaN外延层的截面透射电子显微镜照片 (c) AlN成核层与4°off-axis 4H-SiC界面可见特征性的7 nm宽度原子台阶与周期性的位错结构
深圳平湖实验室开发的8英寸4°倾角4H-SiC上GaN外延片具有良好的均匀性与平整度。PL测试显示（如图2），AlGaN/GaN异质结构势垒层的Al组分不均匀度约为1.2%；厚度不均匀度约为2.2%。对该外延片进行平整度测试，得到弯曲度(Bow)仅为＋8.3 μm。
图2 (a) AlGaN/GaN异质结构势垒层PL测试图谱 (b) 外延厚度测试图谱 (c) 8英寸SiC上GaN外延片翘曲测试，Bow = 8.3 μm
对该外延片进行高分辨X射线衍射测试，4°倾角SiC衬底上GaN外延层的(002)/(102)面摇摆曲线半峰宽分别为290/ 296 arcsec，估算可得位错密度约为6×108cm-2，与无倾角SiC衬底上GaN外延层的晶体质量相当；相比常规Si衬底上GaN，材料位错密度降低10~15倍（如图3）。原子力显微镜测试表明，外延层表面粗糙度RMS=1.6 nm(5μm×5μm)（如图3）。Hall测试表明，AlGaN/GaN异质结构的二维电子气迁移率高达1870 cm2/V·s（如图4）。 以上各项指标均达到国际领先水平，显示该外延片具有优秀的材料特性。
图3 (a) 4°倾角SiC衬底上GaN外延层的XRD (002)/(102)面摇摆曲线 (b) 外延层表面的原子力显微镜照片
图4 SiC衬底上AlGaN/GaN异质结构的霍尔测试结果
（来源：深圳平湖实验室）
