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硅基GaN-HEMT的优化制备

2022/11/18 6:46:27      材料来源:化合物半导体

具有延迟聚结的AlN层为硅基GaN-HEMT提供了良好的基础,实现了最小的RF损耗

 

硅基GaN-HEMT有其优点和缺点:它主要使用大尺寸低成本衬底,以及在现有CMOS代工厂将外延片加工成器件的机会;但它可能遭受RF损耗,这是由于在AlN层的MOCVD生长期间残留的金属原子扩散到衬底中,添加该金属原子是为了防止镓硅在高温下熔化。

 

幸运的是,由于中国的一个团队开发了一种CVD工艺,用于形成具有延迟聚结的AlN层的模板,RF损耗现在可以以有效的方式解决。

 

该团队由北京大学、集美大学和量子物质合作创新中心的研究人员组成。该团队认为,他们的方法比更常见的方法更有利于确保器件不会遭受实质性的射频损耗,包括在GaN生长之前对MOCVD反应器进行清洁和烘烤。工程师们认为,通过引入通过PVD原位生长的AlN层,有可能提高硅基GaN-HEMT的MOCVD外延效率。

 

在蓝宝石上使用原位生长的方法非常成熟,可以将AlN的溅射和PVD生长应用于LED的制造。然而,在具有溅射AlN夹层的硅衬底上实现高质量、无裂纹的GaN层具有挑战性。与在AlN上原位生长GaN相比,由于三维生长模式,在非原位溅射AlN上生长的GaN中的缺陷密度高出一个数量级,并且表面形貌粗糙。

 

为了解决硅生长的缺点,来自中国的团队转向PVD,首先沉积低密度的大AlN核,然后通过延迟聚结的三维生长模式添加GaN,这是实现无裂纹外延层的关键。

 

建立良好工艺的试验包括在1000 °C条件下在2英寸硅(111)上使用200W或500W的RF功率,然后将这些样品转移到Aixtron紧密耦合喷头MOCVD反应器中,用于生长总厚度为1.5µm的无缓冲GaN。使用三维和二维生长模式形成结构,分别使用低和高V-III比率实现。

 

根据X射线衍射,唯一的无裂纹样品也具有最佳的晶体质量,其来自于在PVD生长AlN时使用低RF功率,随后是三维和二维生长的组合,聚结厚度为1200nm。

 

原子力显微镜显示,将RF功率从500W降低到200W会使AlN核的平均尺寸从20-30nm增加到30-50nm,并使其密度减半(见上图)。

 

该团队认为,高聚结厚度对于控制GaN晶圆中的应力和防止开裂至关重要。当存在快速聚结,导致低聚结厚度时,压缩应力不足以补偿冷却期间GaN和硅之间的热失配引起的拉伸应变。

 

该团队的发言人、北京大学的Xuelin Yang告诉化合物半导体,需要进一步调查,以揭示延迟聚结生长的最佳条件,同时需要考虑PVD工艺的更大功率范围和替代III-V比。

 

Yang认为,增加聚结厚度和/或总厚度将提高GaN的晶体质量。该团队使用共面波导中的传输线,在10 GHz下测量了0.2 dB mm-1的射频损耗。据称,该损失是硅上GaN的最低报告值之一。

 

该团队的目标是进一步研究最佳生长条件,以便他们能够以更好的质量实现更厚的GaN膜,并生长AlGaN/GaN异质结构以制造HEMT结构。

 

参考文献

 

D. Liu et al. Appl. Phys. Express 15 081001 (2022)

 

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