中國粉體網(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，且對現(xiàn)有CMOS工藝兼容，使得硅基氮化鎵（GaN-on-Si）成為市場主流。

對于硅基氮化鎵的外延來說，假如直接在硅片的表面進(jìn)行氮化鎵的外延，硅（Si)會和鎵(Ga）發(fā)生反應(yīng)，形成回熔(melt-back)效應(yīng)，因而往往會在生長氮化鎵之前，先在硅襯底上生長一層氮化鋁（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的應(yīng)力問題。因此，高質(zhì)量的氮化鋁種子層對于外延氮化鎵來講至關(guān)重要。

但是如果采用MOCVD的方法生長氮化鋁種子層，由于設(shè)備腔體中殘余的鎵原子會擴(kuò)散到高阻硅中，造成射頻損耗，對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模板上生長了1.5 μm厚的無裂紋氮化鎵層，晶體質(zhì)量可與傳統(tǒng)GaN生長在具有復(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審稿人高度評價(jià)：“本文報(bào)道了一種用濺射AlN生長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)散和通量低的問題。通過控制濺射AlN的表面形貌和降低GaN晶粒的聚結(jié)速率，作者成功地生長出無裂紋的厚GaN薄膜。本文充分指出了以往在硅襯底上生長GaN的研究中存在的問題，并提出了一種新的生長方法來解決這些問題。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

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）

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