原标题：“变形外延生长”：使氮化镓晶体管可耐受更高电压！

导读

据瑞典林雪平大学官网近日报道，该校与其衍生公司 SweGaN 密切合作，将薄到仅有数纳米的几层半导体组合到一起，不仅带来了一项新的科学发现，也创造出了一款可用于高功率电子器件的新型晶体管。

背景

氮化镓（GaN），是一种用于高效发光二极管的半导体。然而，它也可能应用于其他场合，例如晶体管，因为它可以比其他半导体材料承受更高的温度和电流强度。对于未来的电子元器件尤其是电动汽车中使用的那些来说，这些都是很重要的特性。

氮化镓功率放大器（图片来源：Fraunhofer IAF）

氮化镓蒸汽能在碳化硅晶圆上凝结，形成一层薄薄的涂层。让一种晶体材料在另一种晶体材料的基底上生长，这种方法也称为“外延”。该方法在半导体工业中经常使用，因为它为决定形成的纳米薄膜的晶体结构和化学组成提供了很大的自由度。

氮化镓（GaN）与碳化硅（SiC）这两种材料都可以承受很强的电场，二者的结合保证了电路适合需要高功率的应用场景。

然而，这两种晶体材料（氮化镓与碳化硅）之间的表面配合度却较差。结果是，原子无法相互匹配，从而导致晶体管失效。

创新

然而，最近一项新研究解决了这个问题，带来了一种商业化的解决方案，让更薄的氮化铝也可以放置在两层之间。

近日，瑞典林雪平大学（ Linköping University）与该校材料科学研究所的衍生公司 SweGaN （该公司用氮化镓制造定制的电子元器件）密切合作，将薄到仅有数纳米的几层半导体组合到一起，不仅带来了一项新的科学发现，也创造出了一款可用于高功率电子器件的新型晶体管。这项成果发表在《应用物理快报（Applied Physics Letters）》杂志上，引起了人们极大的兴趣。

下图所示：这项研究的一个重要部分就是采用了世界上最先进的透射电子显微镜之一（林雪平大学的Arwen）。

（图片来源：Magnus Johansson）

技术

SweGaN 的工程师们偶然发现，他们的晶体管可以对付比他们预期强很多的电场，而且他们起初并不知道原因是什么。答案可以在原子层面找到，存在于元器件内一对临界中间面中。

在林雪平大学的 Lars Hultman 和 Jun Lu 领导下，林雪平大学与 SweGaN 的研究人员们在《应用物理快报》杂志上解释了这一现象，描述了一种制造更能耐高电压的晶体管的方法。

科学家们发现了先前未发现的外延生长机制，他们称之为“变形外延生长”。它使不同层之间的应力通过一对原子层被逐渐吸收。这意味着，他们能以一种方法在碳化硅上生长两层（氮化镓和氮化铝），该方法类似于在原子层面控制这些层在材料中如何相互关联。在实验室中，他们展示了材料可以承受高电压，达1800伏。如果这样的电压施加到一个经典的硅基元器件上，那么会导致火花四溅，晶体管损毁。

（图片来源：参考资料【1】）

价值

Lars Hultman 表示：“我们祝贺 SweGaN 开始将这个发明推向市场。它展示了高效的合作以及研究成果在社会中的运用。由于我们与正在这个公司工作的前同事们进行紧密接触，我们的研究也会迅速在学术界以外的地方产生影响。”

关键字

外延生长、氮化镓、晶体管

参考资料

【1】Jun Lu, Jr-Tai Chen, Martin Dahlqvist, Riad Kabouche, Farid Medjdoub, Johanna Rosen, Olof Kordina, and Lars Hultman. Transmorphic Epitaxial Growth of AlN Nucleation Layers on SiC Substrates for High-Breakdown Thin GaN Transistors, Appl. Phys. Lett. 115, 221601 (2019). doi 10.1063/1.5123374

【2】https://liu.se/en/news-item/nyupptackt-metod-ger-supertaliga-transistorer