中国科学院宁波材料所、中国科学技术大学：混合AlN成核层助力超薄蓝宝石基GaN HEMT外延晶体质量与电学性能协同提升

在快充电源、新能源汽车电能转换芯片、AI数据中心等应用场景中，蓝宝石基GaN HEMT器件凭借外延工艺成熟、低成本与高耐压等优势，成为替代硅基功率芯片的重要路线。然而蓝宝石与III族氮化物间存在较大晶格/热失配，传统薄膜外延路线常依赖数微米级厚的GaN 缓冲层实现位错湮灭——这不仅增加了外延成本与热足迹，还导致散热性能恶化、加剧衬底翘曲。

针对这一瓶颈问题，中国科学院宁波材料技术与工程研究所郭炜研究员团队联合中国科学技术大学微电子学院孙海定教授团队，在

Applied Physics Letters

发表研究论文 《GaN HEMT with Improved Electrical Performance Enabled by Hybrid AlN Nucleation Layers》，提出“磁控溅射 AlN + MOCVD AlN”混合成核层（Hybrid AlN-NL）配合 H₂ 原位热退火的生长策略，在总外延厚仅1.8 μm（其中GaN 缓冲1.4

μ

m）的 4 英寸蓝宝石衬底上，实现了GaN (002)/(102) 高分辨XRD半高宽低至53 / 179 弧秒。基于晶体质量和应力调控策略，二维电子气（2DEG）迁移率高达2027 cm²/(V·s)、方阻 309 Ω/□，均匀性好于1%。基于此成功制备了D-mode HEMT器件，饱和电流 548.5 mA/mm @Vgs=0V、开关比接近1×108。该工作为超薄低翘曲、低成本、高均匀性的GaN功率HEMT开发提供了重要的解决方案。

文章信息

作者：Bowei Yu（于博威）, Haochen Zhang（张昊宸）, Hongyu Liu, Jiayao Li, Fang Ye, Li Chen, Jun Tang, Shengli Qi, Zhibin Liu, Haiding Sun（孙海定）

Jichun Ye（叶继春）, Wei Guo（郭炜）

单位：中国科学技术大学微电子学院；中国科学院宁波材料技术与工程研究所；

期刊：

Applied Physics Letters

（DOI:10.1063/5.0300073）

关键词：GaN电子迁移率晶体管、成核层、热退火、超薄缓冲层

内容聚焦

一、从“厚缓冲层湮灭位错”到“成核层控位错”：超薄 HEMT 的突破口

基于平面蓝宝石衬底和磁控溅射AlN结晶层，GaN外延薄膜的(002)高分辨XRD摇摆曲线半峰宽可低至35 弧秒，但(102)半峰宽仍高达300弧秒以上，对应的穿透位错密度为108 cm-2。基于此，本工作把“位错湮灭”前移到成核阶段：先用25 nm磁控溅射AlN提供致密形核点，再外延60 nm 金属有机气相外延（MOCVD）AlN（MO-AlN）形成台阶流。最后在1150 ℃ H2下原位退火，通过氢气的选择性刻蚀作用对形核台阶进行修复和整形，即把随机台阶优化成沿m面有序台阶，从而切断后续GaN合并时的晶粒误取向源头。通过改变原位热退火时长 （0/5/7.5/10分钟）发现，7.5分钟为最佳条件，GaN沟道层的（002）、（102）半峰宽低至53、179 弧秒，反推总位错 1.7×108 cm-2——以上结果在 1.7 μm超薄 GaN 缓冲层的样品中属于领域领先水平。需要注意的是，过度的氢气退火处理如10分钟反而导致台阶被过刻蚀，形核点不足因而结晶质量恶化，这一结果也证明了AlN形核层的形貌与位错湮灭之间的强关联性。

图1.混合结晶层HEMT外延结构示意图

图2. GaN HEMT高分辨XRD摇摆曲线（102）及（002）对比及穿透位错-GaN厚度之间的映射关系

二

、

表面形貌、界面晶格匹配分析：

TEM/GPA/SAED 三重佐证

我们都知道，磁控溅射PVD的AlN结晶层被LED领域广泛使用。但在GaN HEMT外延中，这一结构真的是最优的么？磁控溅射的AlN结晶层为后续GaN的外延提供了足够的成核位点。但不可否认的是，由于较低的成核温度，磁控溅射AlN的面内取向是较为杂乱的，这也是GaN外延中高分辨XRD（102）摇摆曲线半峰宽居高不下的原因。而MOCVD-AlN结晶层和H2退火修复晶格的引入，则恰好补齐了磁控溅射AlN结晶层的短板。7.5分钟退火后样品穿透位错少、表面的孔洞也均为六方结构。高分辨TEM显示，GaN/AlN界面原子级平直，GPA应变云图在界面两侧连续无突变，SAED中GaN与AlN 衍射斑几乎重合——说明混合成核层退火后实现几乎完全共格的外延生长，而这对于抑制失配位错（misfit dislocation）是至关重要的。

图3. 不同结晶层和退火时间下的AlN表面AFM表面形貌分析

图4. 无H2退火与7.5分钟H2退火高分辨TEM、GPA、SAED衍射斑点对比

三

、

HEMT器件

电学

性能的验证

：方阻309 Ω/□、迁移率

2000 cm

2

/(V·s)、

开关比

9.5×10

7

如前所述，领域内大多GaN HEMT采用厚的GaN缓冲层以实现湮灭位错的目标。然而，这背后最大的隐患来自于厚GaN带来的wafer bow。这不仅会导致工艺加工良率下降，也会恶化晶圆上HEMT方阻的均匀性。而在本工作中，通过对GaN形貌、应力、厚度的协同调控，我们实现了4英寸片均匀性

图5. GaN HEMT外延结构的非接触霍尔电学特性、方阻均匀性及D-mode HEMT转移及输出特性曲线

结语

本工作展示的不仅仅是改善HEMT器件晶体质量与电学特性的单一的技术路线，而是一种异质外延普适性规律。不依赖图形化蓝宝石衬底（PSS）、不堆厚缓冲、不引入额外衬底 处理，只在“成核层组合 + 退火时长”两个MOCVD前段变量上做精细调制，就能在平片蓝宝石衬底上实现接近厚缓冲层（>3 µm）的晶体质量与器件电学特性。这对 4–6英寸蓝宝石衬底功率器件的成本控制、性能提升和单片集成都具有重要借鉴意义。综上，本工作提供的混合成核层+原位退火策略，使得1.8

μ

m 总厚度的蓝宝石基HEMT器件在综合性能上进入第一梯队，为超薄缓冲层GaN功率器件提供了新的技术方案。