當(dāng)前，人們正在致力于研發(fā)氮化鎵和其他III族氮化物的高功率、高頻率器件。這些應(yīng)用的主要材料優(yōu)勢(shì)在于氮化鎵的高電場(chǎng)強(qiáng)度，而隨著逐漸向富鋁氮化物發(fā)展，其電場(chǎng)強(qiáng)度只會(huì)增加。關(guān)于氮化鎵的雪崩擊穿相關(guān)數(shù)據(jù)仍然非常有限，而且由于它仍然不是氮化鎵中常見(jiàn)的擊穿形式，富鋁氮化鎵的雪崩擊穿數(shù)據(jù)更是缺失。材料缺陷存在問(wèn)題，導(dǎo)致結(jié)電路器件過(guò)早擊穿。

此外，設(shè)備邊緣終止仍然是一個(gè)問(wèn)題，在許多情況下，雪崩擊穿被設(shè)備周邊所支配。此外，除非三種因素——材料質(zhì)量、器件設(shè)計(jì)和加工——都得到了優(yōu)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(guān)于高場(chǎng)材料性質(zhì)的確鑿信息。

近期，在第九屆國(guó)際第三代半導(dǎo)體論壇（IFWS）&第二十屆中國(guó)國(guó)際半導(dǎo)體照明論壇（SSLCHINA）——“氮化物襯底、外延生長(zhǎng)及其相關(guān)設(shè)備技術(shù)”分會(huì)上，香港中文大學(xué)（深圳）冀東做了“GaN同質(zhì)外延中的雪崩特性”的主題報(bào)告，介紹了最新研究進(jìn)展，涉及GaN同質(zhì)外延中雪崩擊穿的表征、GaN同質(zhì)外延中碰撞電離系數(shù)測(cè)量，以及功率器件和雪崩光電二極管的應(yīng)用等。

報(bào)告指出，直到2013年，氮化鎵p-n二極管中才報(bào)告了雪崩擊穿現(xiàn)象。自第一份關(guān)于雪崩的報(bào)告以來(lái)，已經(jīng)有其他報(bào)告討論了雪崩。除了早期幾項(xiàng)基于外國(guó)襯底生長(zhǎng)的氮化鎵和氮化鎵肖特基二極管的沖擊電離系數(shù)研究外，最近至少有三項(xiàng)不同的研究報(bào)告了使用p-n結(jié)估算沖擊電離系數(shù)的方法，這依賴于雪崩倍增。

報(bào)告中討論III族氮化物中雪崩現(xiàn)象的物理原理和應(yīng)用，主要以氮化鎵作為示例。了解寬禁帶材料中的擊穿現(xiàn)象對(duì)器件和電路社區(qū)非常有興趣，因?yàn)樗苯佑绊懙竭@些新興半導(dǎo)體的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。報(bào)告回顧已經(jīng)報(bào)道的各種估算氮化鎵中沖擊電離系數(shù)的方法，討論關(guān)鍵電場(chǎng)的估算，然后介紹其團(tuán)隊(duì)最近展示的幾種基于雪崩效應(yīng)的器件。

其中，報(bào)告顯示，GaN雪崩特性一涉及擊穿電壓的正溫度系數(shù)，GaN中雪崩特性二涉及電致發(fā)光現(xiàn)象，電致發(fā)光可以用來(lái)檢測(cè)雪崩擊穿是否均勻。非均勻性擊穿是由電場(chǎng)分布不均勻引起的，會(huì)造成器件邊緣局部擊穿，從而引起局部過(guò)熱，毀壞器件。氮化鎵擁有最小的碰撞電離系數(shù)，并且電子的系數(shù)小于空穴的系數(shù)。同質(zhì)外延GaN擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度可以達(dá)到3.9MV/cm，遠(yuǎn)大于水平器件中的數(shù)值 (1MV/cm)。

雪崩擊穿特性的應(yīng)用一是電力電子開(kāi)關(guān)。雪崩擊穿特性的應(yīng)用二是光電探測(cè)，雪崩光電二極管利用半導(dǎo)體材料雪崩擊穿特性，對(duì)入射光信號(hào)進(jìn)行放大，得到較大的電信號(hào)。報(bào)告指出，氮化鎵器件中的漏電流與外延的位錯(cuò)密度正相關(guān)。氮化鎵雪崩擊穿過(guò)程中具有正向溫度系數(shù)以及電致發(fā)光現(xiàn)象。氮化鎵雪崩特性對(duì)于功率器件與光電探測(cè)器件都非常重要。

審核編輯：劉清