北京大学采用化合积电高质量氮化铝薄膜破解GaN-on-Si制备难题


来源:化合积电

[导读]  北京大学采用化合积电高质量氮化铝薄膜破解GaN-on-Si制备难题。

中国粉体网讯  凭借高功率、高频工作环境下的优良性能,氮化镓(GaN)正在快速崛起,无论是在功率,还是射频应用领域。由于大尺寸硅(Si)基板具备低成本优势,且对现有CMOS工艺兼容,使得硅基氮化镓(GaN-on-Si)成为市场主流。


对于硅基氮化镓的外延来说,假如直接在硅片的表面进行氮化镓的外延,硅(Si)会和镓(Ga)发生反应,形成回熔(melt-back)效应,因而往往会在生长氮化镓之前,先在硅衬底上生长一层氮化铝(AIN)薄膜,以避免该现象的产生。同时,氮化铝与氮化镓有非常接近的晶格常数和热膨胀系数,可以减少晶格失配所带来的应力问题。因此,高质量的氮化铝种子层对于外延氮化镓来讲至关重要。


但是如果采用MOCVD的方法生长氮化铝种子层,由于设备腔体中残余的镓原子会扩散到高阻硅中,造成射频损耗,对GaN-on-Si射频器件的功率增益和功率输出有不利影响。为了解决这个问题,采用PVD物理气相沉积工艺制备氮化铝可以有效防止镓-硅回熔现象的发生。然而,用溅射AIN在Si衬底上获得高质量且无裂纹的GaN层是一个关键难题。


近日,北京大学物理学院宽禁带半导体研究中心沈波、杨学林课题组采用化合积电制备的高质量硅基氮化铝(AIN on Si),成功在AlN/Si模板上生长了1.5 μm厚的无裂纹氮化镓层,晶体质量可与传统GaN生长在具有复杂缓冲的Si衬底上相媲美。更重要的是,溅射AIN种子层有效防止Ga/AI扩散到Si衬底,基于此,在10 GHz时实现了0.20 dB/mm的射频损耗。


(a) PVD-AlN 和 MOCVD-AlN 样品在 Si


(b) 在 PVD-AlN 和 MOCVD-AlN 上生长的 GaN 层的射频损耗


化合积电采用PVD物理气相沉积工艺制备出高质量的氮化铝种子层,为有效生长高质量的氮化镓打下良好基础,同时,显著降低了射频损耗。这一重要研究成果,以“Low radio frequency loss and buffer-free GaN directly on physical-vapor-deposition AlN/Si templates”为题,发布在Applied Physics Express期刊上。论文第一作者是北京大学博士生刘丹硕,共同作者有北京大学沈波教授、杨学林教授及化合积电联合创始人/CEO张星等。


APEX审稿人高度评价:“本文报道了一种用溅射AlN生长GaN/AlN/Si结构的方法,解决了用MOCVD制备GaN/AlN/Si结构时Ga和Al向Si衬底扩散和通量低的问题。通过控制溅射AlN的表面形貌和降低GaN晶粒的聚结速率,作者成功地生长出无裂纹的厚GaN薄膜。本文充分指出了以往在硅衬底上生长GaN的研究中存在的问题,并提出了一种新的生长方法来解决这些问题。我相信这篇论文值得在APEX发表。”



原文链接:

https://iopscience.iop.org/article/10.35848/1882-0786/ac7ddb


(中国粉体网编辑整理/山川)

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