垂直结构GaN-on-GaN肖特基二极管的缺陷与电学特性关联研究：基于拉曼光谱、阴极发光与电学表征的新见解

研究人员针对GaN-on-GaN肖特基二极管中缺陷分布对器件性能的影响展开研究，通过阴极发光（CL）、拉曼光谱和电学表征技术，对比分析了不同GaN衬底上制备的器件材料特性与电学参数。研究发现，存在位错簇的样品表现出更低的势垒高度（0.64 eV）、更高的理想因子（>1）以及更低的击穿电压，而无位错簇的样品则展现出更优的均一性和电学性能。该研究为GaN功率器件的可靠性优化提供了关键实验依据。

　　

氮化镓（GaN）作为第三代半导体材料，因其宽禁带、高击穿场强等特性，在功率电子器件领域展现出巨大潜力。然而，GaN器件在实际应用中仍面临一个关键挑战：晶体缺陷（如位错）会显著影响器件的电学性能和可靠性。尤其对于垂直结构的GaN-on-GaN肖特基二极管，衬底中的位错可能通过外延层传播，形成漏电流路径或局部电场集中，导致器件提前失效。尽管近年来通过氢化物气相外延（HVPE）等技术已将位错密度从10⁸
-10¹⁰
cm^-2
降至10⁶
cm^-2
以下，但位错的分布模式（如随机簇状或均匀分散）对器件性能的具体影响机制尚不明确。

为探究这一问题，来自法国图卢兹大学等机构的研究团队开展了系统性研究，成果发表于《Materials Science in Semiconductor Processing》。研究选取两种典型GaN衬底（样品A含位错簇，样品B无簇），通过金属有机气相外延（MOVPE）在相同工艺条件下生长漂移层，并制备肖特基二极管。研究团队创新性地结合阴极发光（CL）成像、拉曼应力/掺杂分布测绘与电学参数分析，建立了材料缺陷与器件性能的定量关联。

关键技术方法包括：1）阴极发光（CL）扫描定位位错分布；2）拉曼光谱分析E₂
^High
和A₁
^LO
峰位移，反演应力与载流子浓度；3）汞探针C-V法测量掺杂浓度；4）变温I-V测试提取势垒高度与理想因子；5）光学显微与SEM定位击穿点。

4.1 材料表征结果
CL成像显示样品A存在随机分布的位错簇（密度>10⁷
cm^-2
），而样品B位错均匀分散（2-3×10⁶
cm^-2
）。拉曼图谱揭示位错簇对应局部拉应力增加（E₂
^High
峰蓝移0.5 cm^-1
）和载流子浓度降低（A₁
^LO
峰位移）。样品A还观察到六边形丘状特征，可能与螺旋位错相关。

4.2 电学特性分析
正向I-V测试表明，样品A器件呈现分散的势垒高度（0.64±0.085 eV）和理想因子（中值>1），表明存在隧穿或复合辅助传导；而样品B表现出更集中的性能（势垒高度0.77±0.07 eV，理想因子≈1）。漂移层有效迁移率计算显示，样品B（709 cm²
/Vs）比样品A（534 cm²
/Vs）高30%，证实位错簇加剧载流子散射。

4.2.3 击穿特性
样品B击穿电压（中值283 V）显著高于样品A（142 V）。光学显微与CL/Raman关联分析发现，样品A的击穿点均位于位错簇区域，而样品B的击穿可能与拉曼检测到的深层缺陷相关，这些缺陷在CL表面扫描中不可见。

该研究首次明确揭示了位错簇对GaN肖特基二极管的多重影响机制：1）通过形成局域应力场和掺杂波动，降低势垒均匀性；2）作为散射中心减少载流子迁移率；3）在高电场下成为击穿起始点。值得注意的是，即使位错密度降至10⁶
cm^-2
量级，其空间分布模式（簇状vs均匀）仍是决定器件可靠性的关键因素。这一发现为GaN衬底质量控制提供了新标准——不仅需要降低平均位错密度，还需抑制位错聚集。研究建立的CL-拉曼-电学多模态关联分析方法，也为其他宽禁带半导体器件的缺陷工程研究提供了范式。未来工作可结合透射电镜（TEM）和深能级瞬态谱（DLTS），进一步解析位错簇的原子结构与能级特征。