中國(guó)粉體網(wǎng)訊 憑借高功率、高頻工作環(huán)境下的優(yōu)良性能，氮化鎵（GaN）正在快速崛起，無(wú)論是在功率，還是射頻應(yīng)用領(lǐng)域。由于大尺寸硅（Si）基板具備低成本優(yōu)勢(shì)，且對(duì)現(xiàn)有CMOS工藝兼容，使得硅基氮化鎵（GaN-on-Si）成為市場(chǎng)主流。
對(duì)于硅基氮化鎵的外延來(lái)說(shuō)，假如直接在硅片的表面進(jìn)行氮化鎵的外延，硅（Si)會(huì)和鎵(Ga）發(fā)生反應(yīng)，形成回熔(melt-back)效應(yīng)，因而往往會(huì)在生長(zhǎng)氮化鎵之前，先在硅襯底上生長(zhǎng)一層氮化鋁（AIN)薄膜，以避免該現(xiàn)象的產(chǎn)生。同時(shí)，氮化鋁與氮化鎵有非常接近的晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)，可以減少晶格失配所帶來(lái)的應(yīng)力問(wèn)題。因此，高質(zhì)量的氮化鋁種子層對(duì)于外延氮化鎵來(lái)講至關(guān)重要。
但是如果采用MOCVD的方法生長(zhǎng)氮化鋁種子層，由于設(shè)備腔體中殘余的鎵原子會(huì)擴(kuò)散到高阻硅中，造成射頻損耗，對(duì)GaN-on-Si射頻器件的功率增益和功率輸出有不利影響。為了解決這個(gè)問(wèn)題，采用PVD物理氣相沉積工藝制備氮化鋁可以有效防止鎵-硅回熔現(xiàn)象的發(fā)生。然而，用濺射AIN在Si襯底上獲得高質(zhì)量且無(wú)裂紋的GaN層是一個(gè)關(guān)鍵難題。
近日，北京大學(xué)物理學(xué)院寬禁帶半導(dǎo)體研究中心沈波、楊學(xué)林課題組采用化合積電制備的高質(zhì)量硅基氮化鋁(AIN on Si)，成功在AlN/Si模板上生長(zhǎng)了1.5 μm厚的無(wú)裂紋氮化鎵層，晶體質(zhì)量可與傳統(tǒng)GaN生長(zhǎng)在具有復(fù)雜緩沖的Si襯底上相媲美。更重要的是，濺射AIN種子層有效防止Ga/AI擴(kuò)散到Si襯底，基于此，在10 GHz時(shí)實(shí)現(xiàn)了0.20 dB/mm的射頻損耗。
(a) PVD-AlN 和 MOCVD-AlN 樣品在 Si
(b) 在 PVD-AlN 和 MOCVD-AlN 上生長(zhǎng)的 GaN 層的射頻損耗
化合積電采用PVD物理氣相沉積工藝制備出高質(zhì)量的氮化鋁種子層，為有效生長(zhǎng)高質(zhì)量的氮化鎵打下良好基礎(chǔ)，同時(shí)，顯著降低了射頻損耗。這一重要研究成果，以“Low radio frequency loss and buffer-free GaN directly on physical-vapor-deposition AlN/Si templates”為題，發(fā)布在Applied Physics Express期刊上。論文第一作者是北京大學(xué)博士生劉丹碩，共同作者有北京大學(xué)沈波教授、楊學(xué)林教授及化合積電聯(lián)合創(chuàng)始人/CEO張星等。
APEX審稿人高度評(píng)價(jià)：“本文報(bào)道了一種用濺射AlN生長(zhǎng)GaN/AlN/Si結(jié)構(gòu)的方法，解決了用MOCVD制備GaN/AlN/Si結(jié)構(gòu)時(shí)Ga和Al向Si襯底擴(kuò)散和通量低的問(wèn)題。通過(guò)控制濺射AlN的表面形貌和降低GaN晶粒的聚結(jié)速率，作者成功地生長(zhǎng)出無(wú)裂紋的厚GaN薄膜。本文充分指出了以往在硅襯底上生長(zhǎng)GaN的研究中存在的問(wèn)題，并提出了一種新的生長(zhǎng)方法來(lái)解決這些問(wèn)題。我相信這篇論文值得在APEX發(fā)表。”
原文鏈接：
https://iopscience.iop.org/article/10.35848/1882-0786/ac7ddb
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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