深圳平湖实验室攻克GaN/SiC单片集成难题，为新能源汽车及AI领域提供核心支撑

近日，深圳平湖实验室在GaN/SiC集成领域取得突破性进展，在国际上首次研制了商用8英寸4°倾角4H-SiC衬底上的高质量AlGaN/GaN异质结构外延。该成果打破了大尺寸GaN与SiC材料单片集成的技术瓶颈，为GaN/SiC混合器件的发展及其产业化进程奠定基础，可批量应用于大尺寸、高质量GaN外延材料的制备，为现有硅基GaN技术路线提供了一种极具竞争力的替代方案。

其突破性在于：

1）缺陷密度显著降低：GaN外延材料中的缺陷密度下降10~15倍，有望从根本上解决GaN器件的可靠性问题、通过10年以上寿命验证；

2）散热性能大幅提升：SiC衬底的高热导率将进一步提升GaN器件的功率密度与集成度。

这项重大进展将为宽禁带半导体在新能源汽车、消费电子、人工智能等领域的规模化应用提供重要技术支撑。

据悉，碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）作为第三代半导体的代表，凭借高禁带宽度、高击穿场强、高电子饱和速度和高热导率等优异特性，特别适合制造高频、高功率、耐高温、抗辐照器件，广泛应用于新能源车、消费电子、光伏、电网等领域。

基于同质外延的4H-SiC器件具有低缺陷、高耐压、抗雪崩优势，但面临低沟道迁移率和栅氧可靠性挑战。GaN HEMT拥有高开关频率和高沟道迁移率，但受限于Si基异质外延的高缺陷密度和横向结构，在高可靠性、高耐压及抗雪崩应用上竞争力不足。如何整合两者特性、实现优势互补是产业界和学术界的重大探索方向。

近年来，GaN/SiC混合晶体管成为研究热点。它结合了GaN的高迁移率/开关速度与SiC的高导热/抗雪崩能力，同时实现无动态电阻退化和优异的热稳定性。为了充分发挥其潜力，GaN/SiC单片集成是最优路径，即在SiC器件结构上外延生长GaN基异质结构。

然而，为了获得高质量SiC外延和器件，商用SiC功率器件均是基于4°倾角的4H-SiC衬底，而常用作GaN外延的SiC衬底是无倾角的。在过去，4°倾角衬底会导致GaN外延层出现台阶聚集、表面粗糙、晶体质量下降及各向异性电性能等退化。随着GaN和SiC技术迈入8英寸时代，对大尺寸外延的均匀性和应力控制提出了更高要求。因此，如何在大尺寸4°倾角SiC衬底上实现高质量GaN外延，成为GaN/SiC异质集成及其产业化亟待解决的核心难题。

深圳平湖实验室开发的8英寸4°倾角4H-SiC上GaN外延片具有良好的均匀性与平整度。各项指标均达到国际领先水平，显示该外延片具有优秀的材料特性。

编辑 张志灵 二审 玄伟东 三审 丁庆林