0.5°偏角4H-SiC衬底上高质量外延生长及GaN/SiC混合器件实现研究

为解决4H-SiC与GaN器件界面性能差异问题，研究人员通过优化0.5°偏角4H-SiC衬底外延工艺，成功抑制台阶聚集现象，实现表面粗糙度仅0.15 nm的4H-SiC外延层，并首次在其上异质外延生长出AlGaN/GaN HEMT结构。该研究为兼具SiC击穿特性与GaN高迁移率优势的混合器件开发奠定基础。

　　

在追求碳中和目标的全球背景下，宽禁带半导体材料如碳化硅（4H-SiC）和氮化镓（GaN）成为电力电子领域的关键。4H-SiC凭借其耐高温、耐辐射特性广泛应用于电动汽车和光伏系统，但其金属氧化物半导体（MOS）界面性能受限；GaN虽具有高电子迁移率晶体管（HEMT）优势，却面临器件可靠性挑战。如何整合两者优势，成为研究者亟待解决的难题。

日本研究人员在《Materials Science in Semiconductor Processing》发表的研究中，创新性地采用0.5°偏角4H-SiC衬底，通过消除原位H₂
刻蚀、引入低温H₂
退火等工艺，成功制备出表面粗糙度仅0.15 nm的4H-SiC外延层，并首次实现AlGaN/GaN HEMT结构的异质外延生长。该突破为开发兼具SiC击穿特性和GaN高迁移率的混合器件提供了关键技术路径。

关键技术包括：热壁化学气相沉积（CVD）生长4H-SiC外延层，原子力显微镜（AFM）表征表面形貌，霍尔效应测量载流子迁移率，以及X射线衍射（XRD）确认衬底偏角方向。研究使用0.5°偏角[11-20]方向的4H-SiC Si面衬底，通过优化C/Si比（0.5）和生长温度（1550°C）等参数实现高质量外延。

控制4H-SiC外延层台阶聚集
通过对比传统工艺（含H₂
刻蚀）与新工艺（无H₂
刻蚀），发现消除刻蚀步骤可显著抑制宏观台阶聚集，使表面粗糙度从4.5 nm降至0.15 nm。H₂
退火后处理进一步平整化表面。

AlGaN/GaN HEMT结构性能提升
在0.5°偏角衬底上生长的HEMT结构，其AlGaN层均方根粗糙度（RMS）较4°偏角样品降低90%（0.4 nm vs 6.4 nm），载流子迁移率提升至1980 cm²
/Vs，电容-电压（C-V）特性曲线更陡峭，表明界面态密度显著降低。

4H-SiC电学特性验证
制备的4H-SiC外延层击穿电压达600 V，氮掺杂浓度控制在1×10¹⁶
cm^-3
，证实其适合作为混合器件的漂移层。

该研究首次证实0.5°偏角衬底可同步实现高质量4H-SiC同质外延与GaN异质外延，解决了传统工艺中4°与0°偏角不兼容的难题。通过表面形貌控制与界面优化，为GaN/SiC混合器件在5G通信、高压电源等领域的应用扫清了技术障碍。研究提出的无H₂
刻蚀工艺与低温退火方案，对宽禁带半导体集成技术发展具有重要指导意义。