GaN（氮化鎵）作為第三代半導(dǎo)體核心材料，憑借高耐壓、高開關(guān)速度、易集成等突出優(yōu)勢，已成為消費(fèi)電子、新能源、工業(yè)電源等領(lǐng)域功率器件的主流選擇。當(dāng)前，傳統(tǒng)橫向 GaN 功率器件長期面臨一個核心瓶頸：擊穿電壓（BV）與柵漏間距（L_GD）、比導(dǎo)通電阻（R_on,sp）的固有trade-off——要提升耐壓就需增大芯片面積，進(jìn)而推高成本；而場板等輔助技術(shù)效果有限，還會引入額外寄生電容，制約了其在更高電壓、更高功率場景的突破。  

針對于此問題，中國科學(xué)院微電子研究所GaN基功率電子器件研發(fā)團(tuán)隊聯(lián)合西南交通大學(xué)、北京大學(xué)、中科院蘇州納米所、西交利物浦大學(xué)等單位，首次提出Sky-FET創(chuàng)新器件結(jié)構(gòu)，利用選區(qū)外延方法實現(xiàn)耐壓從橫向二維向橫縱三維的延展，突破傳統(tǒng)橫向AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)功率器件耐壓-面積這一行業(yè)桎梏，為下一代高性能橫向GaN 功率器件的發(fā)展提出了新型解決方案。

Sky-FET的關(guān)鍵突破在于融合垂直與橫向?qū)系赖慕Y(jié)構(gòu)革新-基于自主超薄勢壘AlGaN(<6 nm)/GaN增強(qiáng)型技術(shù)平臺，通過選區(qū)外延工藝，在器件漏區(qū)引入一層額外的再生長n-GaN層，將漏極歐姆接觸直接制備于該再生長層頂部，形成 “橫向溝道+垂直溝道” 的折疊式漂移區(qū)設(shè)計，再生長垂直溝道類似于飛機(jī)尾部向天空延伸的展翼，故名Sky-FET。其中超薄勢壘結(jié)構(gòu)不僅有助于在大尺寸Si襯底AlGaN/GaN上實現(xiàn)AlGaN免刻蝕的高均勻增強(qiáng)型工藝，而且良好地解決了電子在橫向AlGaN/GaN溝道與縱向再生長n-GaN層間的無障礙“隧穿”導(dǎo)通。與傳統(tǒng) GaN基MIS-HEMT相比，這一結(jié)構(gòu)創(chuàng)新突破了擊穿電壓與柵漏間距的固有約束，無需依賴增大芯片面積即可提升耐壓；再生長 n-GaN 層有效重塑橫向電場分布，大幅抑制柵極邊緣的電場峰值，從根源上提升器件耐壓能力，更值得關(guān)注的是，Sky-FET 巧妙避開了 CAVET 等垂直器件面臨的 p-GaN 摻雜困難、Mg 擴(kuò)散等工藝痛點(diǎn)，采用成熟的選擇性區(qū)域外延技術(shù)，兼顧了性能提升與工藝可行性，為規(guī)?；a(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。 

所制備的Sky-FET 器件在柵漏間距（L_GD）僅為 4.5 μm 的條件下，擊穿電壓（定義為漏極電流 10 μA/mm 時）達(dá)到 761 V，較MIS-HEMT器件的 518 V 提升 47%，成功突破了橫向 GaN 器件的傳統(tǒng)耐壓限制，TCAD 仿真結(jié)果顯示，再生長層有效重塑了電場分布，使器件電場峰值從 2.90 MV/cm 降至 1.98 MV/cm，橫向電場分布更趨均勻；同時，該器件保持了良好的開關(guān)特性，基于超薄勢壘增強(qiáng)型技術(shù)，閾值電壓為+ 0.5 V，開關(guān)比高達(dá) 10?，盡管 3 μm 再生長 n-GaN 層會引入少量額外溝道電阻，導(dǎo)致比導(dǎo)通電阻（R_on,sp）從 1.12 mΩ?cm² 增至 1.80 mΩ?cm²，但綜合來看其 “耐壓 - 面積” 性價比仍優(yōu)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，且在未進(jìn)行場板優(yōu)化的情況下，其 BV/L_GD 比值達(dá)到 1.69 MV/cm；工藝層面，Sky-FET 基于成熟的 AlGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)構(gòu)與選區(qū)外延技術(shù)，無需顛覆性工藝革新，與現(xiàn)有Si襯底上AlGaN/GaN功率器件工藝兼容性良好，在滿足相同耐壓需求時，能夠有效減少芯片面積占用，有助于控制器件制造成本，緩解了傳統(tǒng)高耐壓器件 “以面積換性能” 的行業(yè)困境。 

相關(guān)成果以《Sky-FET: A Selective Area Regrown GaN Power Device with Enhanced Breakdown Voltage》為題發(fā)表在《IEEE Electron Device Letters》上(DOI: 10.1109/LED.2026.3651613)。北京大學(xué)郭富強(qiáng)博士為論文第一作者，黃森研究員、蔣其夢教授為通訊作者。研究工作得到了國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項目、國家先進(jìn)材料重大科技專項、中國科學(xué)院-香港裘搓基金等項目支持。

圖：基于Si襯底上超薄勢壘AlGaN(<6 nm)/GaN增強(qiáng)型技術(shù)平臺的Sky-FET器件結(jié)構(gòu)，電場分布及直流擊穿特性，對比器件是超薄勢壘增強(qiáng)型MIS-HEMT器件。