中國粉體網訊 憑借高功率、高頻工作環境下的優良性能，氮化鎵（GaN）正在快速崛起，無論是在功率，還是射頻應用領域。由于大尺寸硅（Si）基板具備低成本優勢，且對現有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行氮化鎵的外延，硅（Si)會和鎵(Ga）發生反應，形成回熔(melt-back)效應，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，以避免該現象的產生。同時，氮化鋁與氮化鎵有非常接近的晶格常數和熱膨脹系數，可以減少晶格失配所帶來的應力問題。因此，高質量的氮化鋁種子層對于外延氮化鎵來講至關重要。
但是如果采用MOCVD的方法生長氮化鋁種子層，由于設備腔體中殘余的鎵原子會擴散到高阻硅中，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-硅回熔現象的發生。然而，用濺射AIN在Si襯底上獲得高質量且無裂紋的GaN層是一個關鍵難題。
近日，北京大學物理學院寬禁帶半導體研究中心沈波、楊學林課題組采用化合積電制備的高質量硅基氮化鋁(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，晶體質量可與傳統GaN生長在具有復雜緩沖的Si襯底上相媲美。更重要的是，濺射AIN種子層有效防止Ga/AI擴散到Si襯底，基于此，在10 GHz時實現了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量的氮化鋁種子層，為有效生長高質量的氮化鎵打下良好基礎，同時，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，發布在Applied Physics Express期刊上。論文第一作者是北京大學博士生劉丹碩，共同作者有北京大學沈波教授、楊學林教授及化合積電聯合創始人/CEO張星等。
APEX審稿人高度評價：“本文報道了一種用濺射AlN生長GaN/AlN/Si結構的方法，解決了用MOCVD制備GaN/AlN/Si結構時Ga和Al向Si襯底擴散和通量低的問題。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發表。”
原文鏈接：
https://iopscience.iop.org/article/10.35848/1882-0786/ac7ddb
（中國粉體網編輯整理/山川）
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