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前沿丨北大 • Si衬底上外延生长GaN基射频电子材料的研究进展

前沿丨北大 • Si衬底上外延生长GaN基射频电子材料的研究进展 两江科技评论
2023-07-27
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导读：作者：杨学林，沈波单位：北京大学宽禁带半导体研究中心；北京大学人工微结构和介观物理国家重点实验室；教育部纳光电子前沿科学中心；量子物质科学协同创新中心关键词：Si衬底上GaN；金属有机化合物化学气相沉
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Si衬底上GaN基射频电子器件具有击穿电压高、电流密度大、工作频率高等优异特性，且兼具Si衬底的大尺寸、低成本、易与Si基CMOS工艺集成等优点，有望推动GaN基器件在射频电子领域的产业化应用，是当前国际上氮化物半导体领域学术界和产业界关注的热点。为了降低射频应用过程中的衬底损耗，通常采用高阻Si。然而，GaN与Si单晶衬底之间较大的晶格失配(16.9%)与热膨胀系数失配(56%)，以及高阻Si衬底带来的应力和翘曲问题，依然是困扰Si衬底上GaN基射频电子器件大规模应用和发展的关键，也成为国内外重点研究的技术难题。《人工晶体学报》2023年第5期发表了来自北京大学沈波教授团队的综述论文《Si衬底上外延生长GaN基射频电子材料的研究进展》（第一作者：杨学林；通信作者：沈波），论文在简要概述Si衬底上GaN基射频电子材料的研究现状和面临的挑战基础上，重点介绍了北京大学研究团队在高阻Si衬底上GaN基材料射频损耗产生机理，以及低位错密度、低射频损耗GaN的外延生长等方面的主要研究进展。最后对Si衬底上GaN基射频电子材料和器件的未来发展作了展望。

论文题录●●

杨学林, 沈波. Si衬底上外延生长GaN基射频电子材料的研究进展[J]. 人工晶体学报, 2023, 52(5): 723-731.

YANG Xuelin, SHEN Bo. Epitaxial Growth of GaN Based RF Electronic Materials on Si Substrates[J]. Journal of Synthetic Crystals, 2023, 52(5): 723-731.

//章节结构

0　引言

1　Si衬底上GaN基射频电子材料的研究现状

2　高阻Si衬底上大失配异质外延GaN基材料

2.1　高阻Si衬底上GaN外延生长面临的挑战

2.2　高阻Si衬底上GaN基材料射频损耗产生机理

2.3　高阻Si衬底上低位错密度、低射频损耗GaN基材料外延生长

2.4　PVD-AlN/Si复合衬底对GaN射频损耗的抑制

3　结语与展望

//图文速览

相比SiC衬底上GaN，目前Si衬底上GaN基射频电子材料和器件应用仍面临系列挑战：1)Si衬底与GaN之间更大的晶格失配导致GaN外延层中有更高密度的穿透位错，影响器件可靠性；2)Si衬底与GaN之间较大的热失配导致Si衬底上GaN存在较大的残余应力；3)尽管采用了高阻Si衬底，器件射频损耗相比SiC衬底上GaN基器件仍高出不少，且高温会进一步加剧射频损耗；4)Si衬底的导热性相比SiC较差，在大功率应用时散热性能不足。此外，Si衬底与GaN之间的缓冲层设计会进一步增加Si衬底与GaN之间的热阻，影响器件散热。




图1　Si衬底上III-N外延层的生长示意图[21]

研究发现，高阻Si衬底上GaN基材料仍然存在严重的射频损耗。国际主流观点认为AlN/Si界面寄生电导是主导因素，然而关于该寄生电导的形成机理仍存在较大争议。一种观点认为是由高温生长过程中Al/Ga原子向高阻Si衬底扩散(作为受主杂质)形成的p型导电沟道所致（图1）[21]；另一种观点则认为是由AlN/Si界面处半导体能带弯曲形成的电子沟道所致[22]。深入理解和认识形成机理对于抑制界面寄生电导和射频损耗具有重要意义。




图2　SIMS测试和拟合得到的Si衬底中Al杂质的浓度分布曲线(a)，以及Hall和SIMS测试得到的Al杂质的面密度对比图(b)[23]

北京大学魏来等通过霍尔(Hall)实验直接测出AlN/Si界面的p型载流子信号[23]。分析认为该信号只可能来源于界面寄生电导。二次离子质谱（SIMS) 测量证明有相当数量Al原子扩散到了高阻Si衬底中，且样品中Al原子的扩散深度随AlN外延膜厚度增加而增加。以上实验结果证明了AlN/Si界面的寄生电导来源于高温生长过程中Al向高阻Si衬底中的扩散。




图3　基于不同衬底处理方法的AlN样品中的SIMS结果[23]

魏来等提出通过对衬底进行氮化预处理在Si表面形成一层约2 nm厚的无定形氮化硅层，以此阻挡Al向Si衬底的扩散[23]。氮化处理后的样品AlN/Si界面处的Al原子浓度显著下降，且扩散深度也得到一定抑制，特别是针对较厚AlN薄膜样品的抑制更为明显。经测试，采用氮化预处理生长的高阻Si衬底上AlN样品相较常规生长的样品射频损耗降低44%。然而，这层无定形氮化硅的存在会对AlN的成核及其后续生长造成负面影响，进而也会影响到后续外延生长GaN的晶体质量及应力控制。




图4　超低饱和Al预处理(样品E)与常规预处理(样品A)的AlN样品的XRD摇摆曲线[28]

北京大学蔡子东等提出了一种超低饱和Al预处理技术来低温生长高质量AlN缓冲层，实现4英寸高阻Si衬底上GaN的应力/位错与射频损耗的综合调控[28]。该预处理技术是在生长AlN缓冲层前预先通入极低流量的TMAl。对比用不同预处理流量生长的两个Si衬底上低温AlN缓冲层样品，通过X射线衍射(XRD)实验得到超低流量预处理样品的AlN(002)与(102)面摇摆曲线半峰全宽有显著下降(图4)，表明其位错密度大幅降低。




图5　样品A(a)、(b)和样品E(c)、(d)在双束条件下的TEM明场像[28]

图6　样品A(a)和样品E(b)的截面HAADF-STEM图[28]

截面透射电子显微镜(TEM)观测进一步确认超低流量预处理样品的位错密度大幅降低。STEM测试发现高流量预处理样品的AlN/Si界面存在2 nm左右的无定形Al-Si-N层，而超低流量预处理样品的界面则非常清晰。以上结果充分说明超低饱和Al预处理技术对低温AlN缓冲层中位错的抑制作用。




图7　样品A(a)和样品E(b)的SEM照片[28]

图8　不同AlN缓冲层上GaN的拉曼光谱

扫描电子显微镜(SEM)观测发现高流量预处理的Si衬底表面存在复杂的刻蚀形貌（图7），并伴有尺寸较小的AlN成核岛；而超低流量预处理的Si衬底表面不存在刻蚀，取而代之的是大尺寸的六方对称AlN成核岛。该成核岛临界尺寸的增大可减少后续生长过程中晶粒合拢的边界，从而抑制位错的产生。拉曼光谱测试表明采用超低饱和Al预处理方法制备的AlN缓冲层可以有效降低GaN外延层中的残余张应力（图8）。




图9　1.5 μm GaN的XRD摇摆曲线[28]

图10　样品的射频损耗[28]

图11　国际上Si衬底上GaN位错密度和射频损耗数据对比图[28]

基于上述研究，北京大学研究团队成功地在该高质量低温AlN缓冲层上直接生长了1.5 μm GaN外延层，其GaN(002)/(102)面摇摆曲线半峰全宽分别低至390/440 arcsec（图9），射频损耗在10 GHz下为0.29 dB/mm（图10）。GaN的位错密度与射频损耗数值与国际其他研究工作对比见图11[28]。




图12　PVD-AlN/Si和MOCVD-AlN/Si复合衬底中 Al、Ga杂质浓度分布曲线[30]

由于氮化物的生长不能严重偏离其最佳生长窗口，降温生长的调节范围相对比较有限，需要寻求一种新的方法进一步降低射频损耗。北京大学刘丹烁等发明了一种PVD-AlN/Si复合衬底用于降低高阻Si衬底上GaN的射频损耗[30]。该方法是在2英寸高阻Si衬底上制备一层PVD-AlN以代替传统MOCVD生长的AlN成核层，随后在其上生长GaN外延层。PVD-AlN可以起到阻挡MOCVD生长过程中Al/Ga原子向Si衬底的扩散，从而抑制p型寄生导电沟道的产生。SIMS测试确认PVD-AlN相比MO-AlN能有效阻止表面Ga原子向Si衬底中的扩散，并且Al原子的扩散长度因PVD-AlN较低的生长温度和生长时间大幅降低，从而将Si衬底上GaN外延薄膜的射频损耗降低到0.20 dB/mm@10 GHz。

结语与展望

GaN基射频电子器件因其高效率、高功率、大带宽、小型化等优异特性，是支撑新一代移动通信、国防军工等领域创新发展的核心器件。目前GaN基射频器件主要是在昂贵的半绝缘SiC衬底上制备，随着下一代移动通信的发展，对射频器件的数量和效率的要求急剧增加，现有射频芯片方案难以满足大规模应用对低成本、高效率的迫切需求。Si衬底兼具大尺寸、低成本以及与现有CMOS工艺兼容等优势，使Si衬底上GaN基射频电子器件成为继功率电子器件之后下一个该领域关注的焦点，受到了国内外学术界和企业界的高度重视。目前，高阻Si衬底上GaN的外延生长已取得了很大进展，晶圆尺寸不断扩大。但在低位错密度、低射频损耗GaN 薄膜的应力和缺陷控制等方面同SiC衬底上GaN基材料相比还有差距，受外延质量影响的器件性能有待进一步提高。从器件发展趋势看，面向毫米波应用的GaN基射频电子器件和面向手机等终端用的低压GaN基射频器件是当前Si衬底上GaN基射频电子材料和器件研究和产业化的主要方向，高线性度、高效率、高可靠性器件仍然是研究的重点。

参考文献（上下滑动阅览）

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END

通信作者●●

杨学林，北京大学物理学院正高级工程师，国家优秀青年科学基金获得者。先后在吉林大学和北京大学获学士和博士学位，东京大学博士后。近年来在Si衬底上GaN基材料的MOCVD外延生长、杂质缺陷研究等方面取得了多项进展。迄今在Physical Review Letters、Advanced Functional Materials、Applied Physics Letters等期刊上共发表SCI论文100多篇，在本领域国内外学术会议上做邀请报告20多次，申请/授权国家发明专利20多项，部分研究成果实现了产业化应用。

沈　波，北京大学宽禁带半导体研究中心主任、长江特聘教授、国家杰出青年科学基金获得者、973项目首席科学家、863计划“第三代半导体”重点专项总体专家组组长、“战略性先进电子材料”重点专项总体专家组成员。先后在南京大学、中国科技大学和日本东北大学获得学士、硕士和博士学位。1995年迄今一直从事GaN基宽禁带半导体材料、物理和器件研究，取得了在国内外同行中有一定影响的一系列研究成果。先后与华为等多家企业开展了科技合作。迄今发表学术论文300多篇，论文被引用4000多次，获得/申请国家发明专利50多项，部分研究成果实现了产业化应用。先后获国家技术发明二等奖、国家自然科学二等奖、江苏省科技进步一等奖和教育部科技进步一等奖。

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——《人工晶体学报》

讲好中国晶体的故事——


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