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Subjects:
Physics, Applied
氮化鎵 (GaN) 是一種寬帶隙半導體材料，具有優異的電學和光學特性，使其成為各種電子和光電器件的有前途的候選者。特別是，GaN 的獨特特性使其成為高功率和高頻應用的熱門選擇，例如電力電子、RF 放大器和發光二極管 (LED)。
- gallium nitride
- high electron mobility transistor
- GaN on Si/SiC/QST
一、簡介
GaN 是一種寬帶隙半導體材料，具有出色的電學和光學特性 [ 1,2,3 ] ，使其成為各種電子和光電子器件的有前途的候選材料。特別是，GaN 的獨特特性使其成為高功率和高頻應用的熱門選擇 [ 4、5、6、7 ] ，例如電力電子[ 8、9 ] 、 RF 放大器 [ 6、7 ]、和發光二極管 (LED) [ 10 , 11 , 12 , 13]. 實現 GaN 器件全部潛力的關鍵挑戰之一是外延層的質量。外延層是在襯底上生長的 GaN 薄層，它在決定 GaN 器件的性能和可靠性方面起著關鍵作用[ 14、15、16、17、18、19 ]。因此，必須徹底了解外延生長過程和外延層的結構特性[ 20、21、22、23、24、25 ]。
近年來，通過發展先進的生長技術和優化工藝參數，在提高GaN外延層質量方面取得了重大進展。GaN 外延層中的問題歸因於多種因素，包括材料中的缺陷[ 26、27 ]、陷阱 [ 28 ]和位錯 [ 29 ]。這些缺陷充當電子捕獲和復合的場所，導致局部加熱和熱失控[ 30、31、32 ]。此外，GaN 器件中的高電場導致碰撞電離和電子空穴對的產生，進一步惡化了擊穿問題 [ 33]]. 為了解決 GaN 器件中的擊穿問題，科學家們開發了各種解決方案。一種方法是優化 GaN 外延層的生長條件，以降低缺陷和位錯的密度。這是通過使用先進的生長技術（例如 MOCVD 和分子束外延 (MBE)）以及結合緩衝層和應變工程實現的[ 34、35、36 ]。另一種方法是開發可以減輕故障問題的新設備結構和架構。例如，使用場板 [ 37、38 ]、邊緣終端結構 [ 39、40 ] 和深溝槽隔離[ 41 ]]有助於降低電場集中，提高GaN器件的擊穿電壓。此外，使用先進的柵極電介質，如 Al 2 O 3和 HfO 2，有助於減少柵極洩漏並提高器件的可靠性 [ 42 , 43 , 44 ]。
2. GaN外延
Si ( 111 )上的GaN外延面臨與襯底和外延層之間的晶格失配相關的問題[ 99、100、101、102、103、104、105、106、107、108、109]. 這種不匹配會導致高密度的螺紋位錯和其他缺陷，從而影響最終器件的性能。為了緩解這個問題，已經開發了各種技術，例如應變工程、缺陷減少和分級緩衝層的使用，以減少位錯的數量並提高外延層的質量。此外，Si 襯底上 GaN 的熱管理是外延生長過程中需要考慮的另一個關鍵因素。Si 的高導熱性會對 GaN 外延層造成顯著的熱應力，從而導致開裂和其他缺陷。因此，適當的熱管理技術，如使用熱界面材料、優化結構設計、
Qromis 襯底技術 (QST) 襯底結構專為外延生長而設計，其熱膨脹係數 (CTE) 與其上生長的外延層密切匹配。襯底由幾層組成，包括提供結構支撐的多晶陶瓷芯、耦合到芯的第一粘附層、耦合到第一粘附層的導電層、耦合到導電層的第二粘附層，以及阻擋層耦合到第二粘附層的層。除了這些層之外，襯底還包括耦合到支撐結構的氧化矽層，然後是基本上單晶的矽層。最後，外延 III-V 層耦合到單晶矽層。全面的，110 ]。這方面的一個例子是在 QST 襯底 [ 100、111、112 ]上生長更厚的緩衝層，這需要引入拉伸應力以限制原位曲率的增加。
為了克服 Si 和 (Al)GaN 之間的 CTE 不匹配所帶來的挑戰，這會影響緩衝層外延生長期間晶片的機械強度，採取了額外的措施。高質量 (Al)GaN 緩衝器可以在 Si 襯底上生長，但 CTE 不匹配限制了緩衝器的質量、厚度和襯底尺寸。嘗試過的一種方法是使用非標準厚度的襯底，例如我們的 GaN-on-Si 技術中的 1150 µm，用於在 200 mm Si 襯底上生長 GaN。但是，這不是一個可擴展的解決方案。一個更實用的解決方案是使用市售的 SEMI 標準厚度工程基板，例如 QST ®，它具有與 (Al)GaN 緩衝層匹配的 CTE 多晶鋁芯和良好的導熱性。這些基板展示了非凡的特性，包括高晶體質量、豐富的緩衝層厚度（>15 μm）、高導熱性和大直徑（12 英寸）的可擴展性潛力。通過使用此類襯底，克服了緩衝層外延生長過程中 CTE 不匹配和機械強度問題所帶來的限制，從而能夠在具有改進的機械和熱性能的 Si 襯底上生長高質量 (Al)GaN。總之，QST襯底是高質量、高性能的襯底，用於生長各種材料的外延薄膜，包括氮化物、磷化物、砷化物和其他半導體材料。
此外，GaN 外延層和 Si 襯底之間的界面也會影響器件的性能。界面特性，例如界面粗糙度、氧化層厚度和缺陷密度，會對器件的電學和光學特性產生重大影響。因此，界面特性的優化對於在 Si 器件上實現高性能 GaN 至關重要。總之，GaN 在 Si 上的外延生長面臨著與緩衝層設計、缺陷、熱管理和界面特性相關的各種挑戰。解決這些挑戰需要仔細考慮多種因素並實施適當的技術，以確保具有可靠性能的高質量設備。
在外延工藝之後，外延層的質量通過 PL、XRD、AFM 和表面掃描 (surfscan) 的測量進行評估。從這些測量中獲得的信息用於優化外延結構並改進 MOCVD 配方以用於後續外延運行[ 117、118、119、120 ] 。如果在晶圓上發現任何表面缺陷裂紋，則進行進一步的調查以查明原因並提高外延層的質量。
為了改善GaN接觸Si襯底導致回熔刻蝕的問題，可以採用GaN或AlN成核層作為界面層。然而，由於生長過程的限制，在實踐中只能選擇AlN成核層（NL）。表面形態和意外氧雜質的存在決定了AlN NL / Si的垂直洩漏[ 121、122、123、124、125、126]. 有趣的是，AlN NL 影響後續外延層的生長及其垂直擊穿電壓。此外，發現在具有更好表面特性的AlN NL上生長的AlGaN中間層和多對AlGaN/AlN應變層超晶格提高了垂直擊穿電壓。在應用 AlN 成核層之前，可以採用表面處理（例如噴塗一些鋁或 NH 3 ）來創建粗糙的 SiN x表面。這有助於減輕 Si 襯底和 GaN 晶格之間的晶格失配引起的應力，否則會導致外延層出現裂紋和彎曲。
為了進一步緩解這個問題，使用了鋁濃度遞減的漸變緩衝層，並且通常使用 Al x Ga 1−x N 的階梯梯度層而不是線性梯度層。此外，可以插入超晶格或間斷的 AlN 層，以提高外延層的晶體質量。由於其高絕緣體特性，碳-GaN 層對於器件的性能也至關重要，因為它決定了擊穿電壓和洩漏 [ 127 ]。因此，實現碳摻雜的均勻性至關重要。碳摻雜有多種選擇，包括 CH 4、C 2 H 4、C 3 H 8, 和 CBr 4。一些文獻還建議使用Fe摻雜，可以提高外延層的導電性。
2020 年，IMEC 計劃利用 200 mm 8 英寸 QST 襯底技術在矽上生長 GaN [ 128 , 129 ]，這對電子行業來說是一個有前途的發展。與傳統襯底相比，該技術具有多項優勢，包括減少寄生效應、匹配襯底的 AlN 熱膨脹係數、高導熱性、高機械產量以及生長厚 GaN 緩衝層的能力。這些優點使實現 650 V 的高擊穿電壓成為可能，這對於大功率設備來說是必不可少的。
在GaN外延生長領域，保證表面質量至關重要，因為它影響後續工藝和元件的最終特性。因此，表面檢測是保證外延層質量的關鍵。OM 通常用於檢查襯底和外延層的表面是否有可見的裂紋和粗糙度。AFM 是一種高分辨率技術，用於檢測納米級的表面粗糙度和形態。PL 是一種非破壞性技術，用於通過測量其光學特性來評估外延層的質量。XRD 是一種強大的技術，可以提供有關晶體質量、厚度和外延層應變的信息。
除了這些技術之外，TEM 還可用於在原子水平上研究外延層中的結構缺陷。它可以提供有關晶體結構、缺陷和位錯的詳細信息，這些信息對於確定外延層的質量至關重要。
This entry is adapted from the peer-reviewed paper 10.3390/mi14040764
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