當(dāng)前，人們正在致力于研發(fā)氮化鎵和其他III族氮化物的高功率、高頻率器件。這些應(yīng)用的主要材料優(yōu)勢在于氮化鎵的高電場強度，而隨著逐漸向富鋁氮化物發(fā)展，其電場強度只會增加。關(guān)于氮化鎵的雪崩擊穿相關(guān)數(shù)據(jù)仍然非常有限，而且由于它仍然不是氮化鎵中常見的擊穿形式，富鋁氮化鎵的雪崩擊穿數(shù)據(jù)更是缺失。材料缺陷存在問題，導(dǎo)致結(jié)電路器件過早擊穿。

此外，設(shè)備邊緣終止仍然是一個問題，在許多情況下，雪崩擊穿被設(shè)備周邊所支配。此外，除非三種因素——材料質(zhì)量、器件設(shè)計和加工——都得到了優(yōu)化，以確保行為良好的均勻雪崩倍增和擊穿，否則很少能獲得關(guān)于高場材料性質(zhì)的確鑿信息。

近期，在第九屆國際第三代半導(dǎo)體論壇（IFWS）&第二十屆中國國際半導(dǎo)體照明論壇（SSLCHINA）——“氮化物襯底、外延生長及其相關(guān)設(shè)備技術(shù)”分會上，香港中文大學(xué)（深圳）冀東做了“GaN同質(zhì)外延中的雪崩特性”的主題報告，介紹了最新研究進(jìn)展，涉及GaN同質(zhì)外延中雪崩擊穿的表征、GaN同質(zhì)外延中碰撞電離系數(shù)測量，以及功率器件和雪崩光電二極管的應(yīng)用等。

報告指出，直到2013年，氮化鎵p-n二極管中才報告了雪崩擊穿現(xiàn)象。自第一份關(guān)于雪崩的報告以來，已經(jīng)有其他報告討論了雪崩。除了早期幾項基于外國襯底生長的氮化鎵和氮化鎵肖特基二極管的沖擊電離系數(shù)研究外，最近至少有三項不同的研究報告了使用p-n結(jié)估算沖擊電離系數(shù)的方法，這依賴于雪崩倍增。

報告中討論III族氮化物中雪崩現(xiàn)象的物理原理和應(yīng)用，主要以氮化鎵作為示例。了解寬禁帶材料中的擊穿現(xiàn)象對器件和電路社區(qū)非常有興趣，因為它直接影響到這些新興半導(dǎo)體的設(shè)計和應(yīng)用。報告回顧已經(jīng)報道的各種估算氮化鎵中沖擊電離系數(shù)的方法，討論關(guān)鍵電場的估算，然后介紹其團(tuán)隊最近展示的幾種基于雪崩效應(yīng)的器件。

其中，報告顯示，GaN雪崩特性一涉及擊穿電壓的正溫度系數(shù)，GaN中雪崩特性二涉及電致發(fā)光現(xiàn)象，電致發(fā)光可以用來檢測雪崩擊穿是否均勻。非均勻性擊穿是由電場分布不均勻引起的，會造成器件邊緣局部擊穿，從而引起局部過熱，毀壞器件。氮化鎵擁有最小的碰撞電離系數(shù)，并且電子的系數(shù)小于空穴的系數(shù)。同質(zhì)外延GaN擊穿電場強度可以達(dá)到3.9MV/cm，遠(yuǎn)大于水平器件中的數(shù)值 (1MV/cm)。

雪崩擊穿特性的應(yīng)用一是電力電子開關(guān)。雪崩擊穿特性的應(yīng)用二是光電探測，雪崩光電二極管利用半導(dǎo)體材料雪崩擊穿特性，對入射光信號進(jìn)行放大，得到較大的電信號。報告指出，氮化鎵器件中的漏電流與外延的位錯密度正相關(guān)。氮化鎵雪崩擊穿過程中具有正向溫度系數(shù)以及電致發(fā)光現(xiàn)象。氮化鎵雪崩特性對于功率器件與光電探測器件都非常重要。

審核編輯：劉清