Si襯底GaN基射頻材料研究
摘要 : Si 襯底因兼具大尺寸、低成本以及與現有 CMOS 工藝兼容等優勢，使 Si 襯底上 GaN 基射頻( RF) 電子材料和器 件成為繼功率電子器件之后下一個該領域關注的焦點。 由于力學性質與低阻 Si 襯底不同，高阻 Si 襯底上 GaN 基外延材料生長的應力控制和位錯抑制問題仍然困難，且嚴重的射頻損耗問題限制著其在射頻電子領域的應用。本文簡 要介紹了 Si 襯底上 GaN 基射頻電子材料的研究現狀和面臨的挑戰，重點介紹了北京大學研究團隊在高阻 Si 襯底上 GaN 基材料射頻損耗的產生機理，以及低位錯密度、低射頻損耗 GaN 的外延生長等方面的主要研究進展。最后對 Si 襯底上 GaN 基射頻電子材料和器件的未來發展作了展望。
引 言
GaN 具有大禁帶寬度、高電子遷移率、高飽和電子漂移速度等優良的特性，相 比 GaAs 基電子器件， GaN 基電子器件可工作在更高的電壓下及具有更高的電流密度，相比于Si基射頻電子器件，其具有更高的工作頻率，這使得 GaN 特別適合大功率、高工作頻率的射頻電子器件應用。因此，在射頻電子領域， GaN 基器件逐漸受到學術界和產業界的重視。根據材料外延襯底的不同，GaN 基射頻器件的主要技術路線包括 Si 襯底上 GaN 和 SiC 襯底上 GaN 。因為 SiC 襯底的高熱導率以及與 GaN 間較小的晶格失配，SiC 襯底上GaN目前發展得相對比較成熟，在相控陣雷達、通信等大功率射頻領域有廣泛的應用。然而，半絕 緣 SiC 襯底的高價格限制了其在民用領域的發展潛力。相比之下，Si 襯底具有大尺寸、低成本、易與 Si 基 集成電路工藝結合等優勢，使得 Si 襯底上 GaN 基射頻電子器件具有較高的產業化應用前景，近年來成為新的研究熱點。北京大學研究團隊近幾年來針對 Si 襯底上 GaN 基射頻電子材料外延生長中的關鍵科學和技術問題，圍 繞高阻 Si 襯底上 GaN 基材料射頻損耗的產生機理，以及低位錯密度、低射頻損耗 GaN 的外延生長等問題開 展了系統的研究工作，取得了一系列研究突破。
Si襯底上GaN基射頻電子材料的研究現狀
Si襯底上GaN 基射頻電子器件具有擊穿電壓高、電流密度大、工作頻率高等優異特性，且兼具Si底的大尺寸、低成本、易與Si基CMOS工藝集成等優點，其有望推動GaN基器件在射頻電子領域的產業化應用，是當前國際上氮化物半導體領域學術界和產業界關注的熱點。高質量的外延材料是實現 GaN 基射頻電子器件的基礎。然而，GaN 與 Si 晶體之間具有較大的晶格失配 ( 16.9% ) 與熱膨脹系數失配(56% ) ，因此 Si 襯底上 GaN 外延層不僅具有較高的位錯密度，且由熱失配帶來的張應力將會使其具有較大的殘余應變，甚至最終導致薄膜開裂。這將會嚴重影響 GaN 基電子材料與器件的性能和可靠性。此外，為了抑制在射頻應用過程中的襯底損耗，襯底通常會采用高阻 Si，一般是通過區熔法(float zone，FZ) 制備的Si晶圓。與常規采用直拉法( Czochralski，CZ) 制備的 Si 晶圓相比，FZ-Si 通常含有較低的雜質含量，在常溫下能表現出半絕緣特性，因此能降低一部分襯底損耗。然而，其力學強度相比 CZ-Si 要差，因此對 GaN 外延生長過程中的應力及翹曲的控制提出了更高的要求。盡管近年來國內外已發展出一 系列針對 Si 襯底上 GaN 及其異質結構的生長方法和技術手段，包括低溫 AlN 插入層、AlN / GaN 超晶格緩沖層、Al 組分梯度漸變 AlGaN 緩沖層等方法，已能初步滿足低阻 Si襯底上GaN基功率電子器件對材 料的要求; 然而目前高阻 Si 襯底上 GaN 及其異質結構材料仍然存在很高的位錯密度，其應力/翹曲控制仍然困難，嚴重影響器件的性能及可靠性。此外，盡管采用高阻Si襯底，射頻損耗仍然是阻礙Si襯底上GaN基射頻電子材料和器件發展的關鍵瓶頸。其內涵是Si襯底上GaN基射頻器件在信號傳輸時存在傳輸的損耗，這會造成信號精準性和器件工作效率的下降。Si 襯底上 GaN 基射頻器件的射頻損耗主要包括4個部分: 1) 導體損耗，也可稱為傳輸線損耗。 這部分損耗主要與選擇的傳輸線結構、幾何尺寸、金屬材料及工藝等因素相關，可以通過相對應的工藝優化 進行解決。2) 襯底損耗。這部分損耗可以通過使用高阻的 Si 襯底進行解決。3) 由于 Si 襯底和半導體界面的導電層帶來的界面損耗。4) 無法避免的輻射損耗，這部分損耗通常可以忽略不計，只在嚴重失配或者特 殊的電路設計里才需要考慮。因此，主要起作用的還是前三個因素。其中，Si 襯底和半導體界面的導電層 帶來的界面損耗是目前仍未有效解決的部分，也是當前射頻損耗最重要的來源。因此，Si 襯底和氮化物界 面的寄生電導形成機理及其抑制方法就成了當前研究的重點。近年來,國內外各研究組針對上述問題提出了一些解決方案，取得了一些進展 : Luong 等采用高溫-低 溫-高溫的方法生長 AlN 成核層，發現該方法可以抑制 AlN / Si 之間晶格失配導致的張應力，從而降低了由于 界面極化電場導致的射頻損耗，10 GHz 下射頻損耗為 0.4 dB/mm 。Chang 等通過降低 AlN 成核層生長溫 度的方法抑制 Al 擴散導致的界面 p 型導電溝道，從而將射頻損耗降至 0.2 dB / mm@10 GHz 。Mauder 等通過擴展電阻分布(spreading resistance profiling，SRP) 等測試方法確認了 Al 擴散是 AlN / Si 界面寄生電導的 成因，并同樣通過降溫生長的方式實現了低射頻損耗的高阻 Si 襯底上 GaN 材料(0．2 dB / mm@ 28 GHz) ，同 時保持了較高的晶體質量及較低的翹曲值(＜20 μm) 。Zhan 等在 6 英寸( 1 英寸 = 2．54 cm) 高阻 Si 襯底 上，通過準二維成核的方法，實現了 2．2 μm 無裂紋 GaN 在 AlN 緩沖層上的直接生長，(002) / ( 102) 面 XRD 半峰全寬(FWHM) 為 457/509 arcsec，翹曲低至 8 μm 以下。盡管以上方法可以在一定程度上緩解 Si 襯底上 GaN 基射頻電子材料面臨的難題，然而當前 Si 襯底上 GaN 基射頻電子器件性能仍遠不及 SiC 襯底上 GaN 基 射頻電子器件，其性能提高依賴于對材料更加深入的研究及相關技術的突破。
高阻 Si襯底上大失配異質外延 GaN 基材料
高阻 Si襯底上GaN外延生長面臨的挑戰相比 SiC 襯底上 GaN，目前 Si 襯底上 GaN 基射頻電子材料和器件仍不成熟，面臨一系列挑戰 : 1) Si 襯底 與 GaN 之間具有更大的晶格失配，這會導致 GaN 外延層中有更高密度的穿透位錯，影響器件可靠性。2) Si 襯底與 GaN 之間具有較大的熱失配，導致 Si 襯底上 GaN 存在較大的殘余應力甚至開裂。3) 盡管采用了高 阻 Si 襯底，Si 襯底上 GaN 基器件的射頻損耗相比 SiC 襯底上 GaN 基器件仍高出不少 。同時，器件高溫 下還會進一步使高阻 Si 襯底中產生大量本征載流子，引起射頻損耗進一步增加。這會嚴重影響器件性能， 包括輸出功率、功率附加效率、增益等。4) Si 襯底自身相比 SiC 熱導率較差，使其在大功率應用時散熱性能不足。另外，Si 襯底與GaN之間的緩沖層通常包括 AlN 成核層、梯度漸變 AlGaN 三元合金或者AlN/AlGaN 超晶格等。復雜的過渡層設計會進一步增加 Si 襯底與 GaN 之間的熱阻，影響器件散熱。
總的來說，高阻Si襯底上GaN的外延材料晶體質量與 SiC 襯底上的 GaN 相比仍然存在不小的差距，應力/位錯控制問題仍然困難，器件可靠性問題仍未解決，特別是嚴重的射頻損耗問題限制著其在射頻電子領域的應用。近年來研究發現，外延過程中 Al 向 Si 襯底的擴散是高阻 Si 襯底上 GaN 中寄生電導和射頻損耗的主要來源，這就要求在外延生長過程中不僅要實現良好的應力/位錯控制，還要協同考慮對該寄生電導的抑制，這對高阻 Si 襯底上 GaN 的外延生長提出了更大的挑戰。因此，如何通過外延方法的改進以及結 構的設計綜合解決上述難題，是當前亟待解決的問題。
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