说到相声艺术,我们都会不约而同地想到一个人,那就是幽默风趣的郭德纲老师。但是我们也不可否认,郭老师作品的经典离不开于谦老师的完美配合。与相声艺术一样,科学研究同样也需要相互配合。人们常说硅(Si)材料(全球95%以上的半导体芯片和器件是用硅片作为基底功能材料而生产出来的)支撑了信息社会的发展和进步,彻底改变了人们的生活方式。
但是,如果没有二氧化硅(SiO2)这个“捧哏”的出现和配合,Si基半导体器件很难成就今天的经典与辉煌。作为功率半导体材料的一颗新星,GaN材料的表现令研究人员眼前一亮,它的禁带宽度是Si的3倍多,抗击穿能力是Si的10倍多,电子的迁移率是Si的2倍多。
以GaN材料制作功率器件,可以提高电源的转换效率,降低电源的体积和质量,因此受到人们的广泛关注,也使得GaN基功率器件成为下一代功率器件的强有力竞争者。然而,与Si基器件相比,GaN材料是孤独的,目前还没有找到适合它的“捧哏”。因此,如何给GaN这个优秀的“逗哏”找到“捧哏”成为研究人员急需解决的问题之一。
中科院苏州纳米所纳米加工平台张宝顺研究员课题组一直致力于高压大功率GaN基电力电子器件的研究工作。为了给GaN器件找到合适的“捧哏”,提高器件的性能,该课题组通过对传统低压化学气相沉积(LPCVD)系统进行改造,在国际上首次提出将原位等离子体处理与传统LPCVD沉积相结合来沉积介质层。
N2等离子体处理不仅可以补偿GaN表面的氮空位,还可以减少表面的自然氧化层,从而实现GaN这个优秀“捧哏”和LPCVD-SiNx这个“逗哏”的完美结合。通过这种技术制作的电力电子器件,阈值回滞由原来的7.1 V下降到186 mV,为目前高扫描栅压(>20 V)下的最好结果。器件的阈值稳定性得到明显提高,如图2所示。
由于GaN与LPCVD-SiNx界面态的降低抑制了缺陷态对沟道中电子的捕获,因而改善了器件的动态特性,在600 V关态应力下,器件的导通电阻仅仅上升1.18倍(传统器件为200倍左右),如图3所示。该工作为寻找GaN基器件的“捧哏”提供了新的思路,实现的高性能GaN电力电子器件可以被广泛应用在充电器设备、电动汽车、无人驾驶和无线充电等领域,器件的综合性能处于国际前列。
相关结果发表在最新的IEEEElectron Device Letters,2017,38,236。