中科院微电子所GaN器件研究再获突破

中科院微电子所GaN器件研究再获突破

近日，中国科学院微电子研究所传来振奋人心的消息：由刘新宇研究员带领的高频高压中心GaN研究团队，在GaN（氮化镓）器件研究方面取得了重大突破。这一突破不仅展示了我国在半导体领域的自主创新实力，更为未来更多高性能电子设备的发展奠定了坚实基础。

刘新宇研究员带领的团队，通过创新性研究和探索，在高频高效率器件、限幅器以及电源驱动电路等多个方向取得了显著成果。特别是在高频高效率器件方向，团队成功解决了现有HEMT器件肖特基漏电大、效率低的问题，使得30GHz的功率附加效率达到了49.7%，功率密度高达5.90W/mm。这一突破不仅展示了我国在半导体领域的自主创新实力，更为未来更多高性能电子设备的发展奠定了坚实基础。

GaN是一种重要的半导体材料，具有许多独特的特性。其具有较宽的能隙（约3.4电子伏特），使其能够在紫外光范围内工作。与其他传统半导体材料相比，GaN具有较高的电子饱和漂移速度和较高的电子饱和漂移电流密度，这使得其在高频和高功率电子器件中具有优势。此外，GaN还具有优异的光学性质，能够在紫外光范围内发射和探测光，具有较高的光辐射效率和较短的发光寿命，使其成为高亮度和长寿命的发光材料。

在电子领域，GaN广泛应用于高功率电子器件。由于其高电子饱和漂移速度和电子饱和漂移电流密度，GaN可用于制造高效率的功率开关和射频功率放大器。此外，GaN还可用于制造电子器件中的电子注射层和电子探测器。在光电子领域，GaN被广泛用于制造激光二极管（LD）。激光二极管是一种将电能转换为光能的器件，具有小型化、高效率和长寿命的优点。氮化镓激光二极管可用于通信、激光打印、光储存等领域。在光学领域，GaN被用于制造发光二极管（LED）。LED是一种半导体发光器件，具有高亮度、低能耗和长寿命的特点。氮化镓LED可用于照明、显示、车灯等领域。此外，氮化镓还可用于制造紫外探测器、太阳能电池等光电子器件。

随着外延材料晶体质量的持续提高和器件工艺的改进，在小型化和功率增大化的条件下，GaN基微波功率器件的可靠性和稳定性受到严重挑战。其中最主要的原因是GaN基功率器件随着功率密度的增加，芯片有源区的热积累效应迅速增加，在接近栅极的地方会产生局部的数十纳米大小的热点，局部热流密度可以达到太阳表面热流密度的十倍以上。但这些热量却无法快捷有效地散发出去，这导致其各项性能指标迅速恶化，寿命减少。尽管 GaN 功率器件的理论输出功率密度可达40 W/mm 以上，但是由于现阶段因其自身热效应问题导致GaN HEMT器件功率密度仅为3~5 W/mm。

为了解决这一难题，研究团队通过增大栅漏间距和优化栅极形貌，有效抑制了栅下电场强度，降低了器件热阻，使得HTRB可靠性大幅提升。最终，总栅宽为11.52mm的AlGaN/GaN HEMT器件的输出功率、增益和效率分别提高了1.2W、1dB和2.6%。这一突破不仅展示了我国在半导体领域的自主创新实力，更为未来更多高性能电子设备的发展奠定了坚实基础。

GaN器件的突破对我国半导体产业具有重要意义。目前，GaN器件的衬底材料已从蓝宝石、Si发展到SiC，而金刚石衬底因其最高热导率成为未来发展方向。这一突破不仅展示了我国在半导体领域的自主创新实力，更为未来更多高性能电子设备的发展奠定了坚实基础。

随着5G通讯、航天、国防等领域对高性能电子设备需求的不断增长，GaN器件的应用前景十分广阔。中科院微电子所的这一突破，不仅展示了我国在半导体领域的自主创新实力，更为未来更多高性能电子设备的发展奠定了坚实基础。我们有理由相信，在不久的将来，中国必将在全球半导体产业中占据更加重要的位置，为世界科技的进步作出更大的贡献。