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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