摘要：相信关注GaN（氮化镓）技术的朋友们都知道，GaN作为第三代半导体材料，拥有高禁带宽度、高电子饱和速度、高击穿电场等得天独厚优势，被誉为未来功率电子和射频应用的“颠覆者”。然而，大部分GaN器件，尤其是目前主流的GaN-on-Si（硅基氮化镓）器件，都需要在G
引言：为什么需要一个“半绝缘”的缓冲层？
相信关注GaN（氮化镓）技术的朋友们都知道，GaN作为第三代半导体材料，拥有高禁带宽度、高电子饱和速度、高击穿电场等得天独厚优势，被誉为未来功率电子和射频应用的“颠覆者”。然而，大部分GaN器件，尤其是目前主流的GaN-on-Si（硅基氮化镓）器件，都需要在GaN有源层和衬底之间构建一个缓冲层。
这个缓冲层可不只是简单地作为“过渡”层。由于GaN与Si的晶格失配（约17%）和热失配（约56%）巨大，直接在Si上生长高质量GaN是极具挑战的。缓冲层（通常是AlN/GaN超晶格或分层结构）的首要任务是缓解应力、降低位错密度，为后续有源层的生长提供一个“宜居”环境。
但更重要的是，这个缓冲层还必须是高电阻率的，甚至是半绝缘的！为什么？因为如果缓冲层导电，当器件在高压下工作或关断时，电流就会通过缓冲层垂直漏到衬底，或者在横向形成寄生通路，这无疑会大大降低器件的击穿电压和效率，简直就是“功亏一篑”。
那么，如何让原本可能带有n型背景载流子的GaN缓冲层变得“不导电”呢？答案就是——掺杂！ 而目前主流的策略就是引入碳（C） 或 铁（Fe） 这两种深能级杂质。
核心原理：深能级陷阱的魔力
无论是碳是铁，在GaN中都扮演着深能级陷阱（DeepLevelTraps）的角色。
简单来说，GaN中的非故意掺杂通常会使其呈现弱n型导电性（例如由于氮空位或氧杂质）。这些深能级陷阱就像晶体中的“黑洞”，能够捕获自由电子，从而有效补偿背景的n型载流子，将GaN从一个导电的材料转变为一个电阻率极高的半绝缘体，甚至接近于绝缘体。这样，缓冲层就能有效地阻止电流从有源层漏到衬底，大大提升器件的耐压能力和关断特性。
然而，尽管目标一致，C和Fe作为掺杂剂却各有“脾气”，这就导致了它们在不同应用场景下的“命运”差异。
C掺杂 GaN缓冲层：功率器件的“稳定器”
目前，绝大多数商用的GaN功率器件，尤其是GaN-on-Si HEMT，其缓冲层都倾向于采用碳（C）掺杂。
C掺杂的优势解析：
动态性能的守护者——有效抑制电流崩塌！核心痛点： 功率器件在频繁的“高压关断-低压导通”循环中，会面临一个臭名昭著的问题——电流崩塌（CurrentCollapse），也叫动态导通电阻（Dynamic On-Resistance）增大。当器件处于高压关断状态时，沟道下方的强电场可能导致电子注入到缓冲层并被陷阱捕获。这些被捕获的电荷在器件重新导通时无法迅速释放，就会形成一个空间电荷区域，使得沟道有效厚度减小或载流子浓度下降，从而导致导通电阻显著升高，大大增加功率损耗，降低系统效率。C的解决方案： 碳在GaN中形成的深能级陷阱，其陷阱深度和捕获/释放动力学相对而言是比较“适中”的。虽然它们能捕获电子，但这些电子在电场反向（器件导通）时能够相对较快地从陷阱中释放出来，从而减少了长时间的空间电荷积累。这意味着，碳掺杂的缓冲层能够有效地缓解电流崩塌效应，确保器件在动态工作条件下也能保持较低的导通电阻，这是功率器件追求高效率的关键。“不乱跑的乖孩子”——低扩散性，保护2DEG沟道：核心痛点：GaNHEMT的核心是AlGaN/GaN异质结形成的二维电子（2DEG）沟道，它承担着电流传输的重任。任何杂质如果扩散到2DEG区域，都可能成为散射中心，降低电子的迁移率和浓度，从而直接影响器件的导通电阻和开关速度。C的解决方案：碳原子在GaN晶格中的扩散系数相对较低。在GaN外延生长以及后续高温器件制备工艺（如退火）中，C的“稳定性”使得它不容易大规模地从缓冲层扩散到2DEG沟道区域，有效保护了2DEG的完整性和优异的传输特性。工艺友好性：碳掺杂可以通过MOCVD生长过程中调节V/III比或引入特定碳源来实现，工艺相对成熟和可控，有利于大规模量产。适用场景：电源管理芯片、电动汽车逆变器、工业电源、太阳能逆变器、数据中心电源等，所有追求高效率、高开关频率、低动态损耗的功率转换应用。
Fe掺杂 GaN缓冲层：射频器件的“绝缘壁”
相比之下，铁（Fe）掺杂的GaN缓冲层更多地出现在射频（RF）GaN器件中。
Fe掺杂的优势解析：
极致的半绝缘性——有效抑制衬底损耗：核心痛点：射频器件工作在GHz甚至更高的频率，对寄生电容和寄生电导异常敏感。如果衬底或缓冲层不是完美的绝缘体，高频信号就会在其中产生损耗，降低器件的功率增益、效率和隔离度。Fe的解决方案：铁在GaN中形成的陷阱能级非常深，能够极其有效地捕获自由电子，即使是很低的Fe掺杂浓度也能将GaN缓冲层变为电阻率高达e10−e12Ω⋅cm 的超高电阻率半绝缘体。这种极致的电阻率能够最大限度地抑制高频信号在衬底中的泄漏和损耗，提高器件的隔离度、效率和高频性能。对于RF应用而言，这种衬底损耗的抑制是至关重要的。工作模式的差异化选择：RF器件的工作模式：射频器件通常工作在连续波（CW）或高频脉冲模式下，其核心关注点是在特定频率下的稳定高效率信号放大，而非功率器件那种频繁的大电压摆幅开关。虽然Fe掺杂可能导致更深的陷阱效应和较慢的电荷释放，但对于RF器件，这种效应在工作状态下可能不是主要的限制因素，或者可以通过其他电路设计来补偿。对晶体质量的考量： 在较低的Fe掺杂浓度下，Fe掺杂可以非常有效地提高电阻率，同时可能比高浓度C掺杂对晶体质量的负面影响更小，这有助于维持GaN材料本身的高电子迁移率，从而保证RF器件的优异高频性。Fe掺杂的挑战：铁原子在GaN中的扩散系数相对较高，尤其是在高温下容易扩散。这可能导致Fe向2DEG沟道扩散，从而降低2DEG的电子迁移率和浓度，甚至引起器件阈值电压的漂移。这也是为什么在功率器件中较少采用Fe掺杂的主要原因，因为功率器件对2DEG的稳定性和低导通电阻要求更高。
适用场景：5G基站、卫星通信、雷达系统、高频无线通信模块等高频射频功率放大器。
总结与展望：没有最好，只有最合适！
通过今天的深入剖析，我们可以清晰地看到，GaN缓冲层掺C还是掺Fe，这并非一道简单的选择题，而是根据器件的具体应用场景和性能优先级而定。
功率器件更注重低动态损耗和高效率，因此选择了能有效缓解电流崩塌、对2DEG沟道影响较小的C掺杂。射频器件更注重极高的电阻率来抑制高频损耗和寄生效应，因此选择了能提供极致绝缘特性的Fe掺杂。未来，随着GaN技术的不断演进，我们可能会看到更精巧的掺杂工程，例如多层掺杂、共掺杂，甚至是无掺杂的高阻缓冲层技术，以进一步优化GaN器件的性能，使其在更广泛的领域大放异彩。
来源：卡比獸papa
