氮化镓GaN衬底及其外延生长技术

氮化镓衬底
  受材料制备与加工技术的限制,目前已成功进入电力电子器件研发领域的宽禁带半导体,除碳化硅外,主要是氮化镓和以氮化镓为基的三元系合金(Ⅲ-N合金),例如铝镓氮(AIxCAI-xN)等。对制造电力电子器件而言,氮化镓的突出优点,在于它结合了碳化硅的高击穿电场特性和砷化镓、锗硅合金和磷化铟等材料在制造高频器件方面的特征优势,其材料优选因子普遍比碳化硅高,对进一步改善电力电子器件的工作性能,特别是提高工作频率,具有很大的潜力和应用前景。
 
  除此之外,利用金刚石薄膜(单晶或多晶)制作SBD和 MISFET等类型器件的研发工作最近几年也开始在电力电子技术领域的国际学术会议上有所报道。
 
  影响其他宽禁带半导体电力电子器件研发进程的主要障碍还是材料问题。氮化镓之所以能紧随碳化硅之后走在其他宽禁带材料之前,跟开发高亮度LED刺激之下的氮化镓外延生长技术的进步不无关系。从材料性质上看,氮化镓具备了制造高效高频功率开关器件的两个基本要素,即电子的迁移率和饱和漂移速度。氮化镓外延层的电子饱和漂移速度比砷化镓高,约为2.5×107cm/s,但电子迁移率比较低。不过,这可能只是暂时的情况。随着薄膜生长和衬底制备技术的不断改善,GaN电子迁移率的测试值近几年来一直在提升,跟砷化镓1980年代的情况有点类似。当时,砷化镓也正处于晶体生长品质的改善时期,有关其电子迁移率的报道时时在发生变化。
 
  不过,衬底目前仍然是开发氮化镓器件的主要困难。由于目前还不能制备氮化镓体单晶,作为半导体照明工程主流产品的Gan LED也是用生长在晶格失配率不高的其他晶体材料衬底上的外延膜制成的。可以用作GaN衬底的晶体材料有硅、碳化硅和蓝宝石等。在这些衬底材料中,碳化硅与氮化镓匹配得更好些,二者的晶格失配仅有3.3%,而蓝宝石和氮化镓的晶格失配高达14.8%。此外,碳化硅的导热性比氮化镓和其他两种衬底材料都高,对改善大功率器件的温度特性也大有好处。但是,碳化硅晶体的生长,如前所述,本身也还存在着很多问题,GaN器件价格居高不下的主要原因就是碳化硅衬底的成本。
 
  虽然Si与GaN的晶格失配率和热膨胀失配率都很高,但Si衬底的大面积高品质和低成本优势却让碳化硅和蓝宝石难以望其项背,因而用Si衬底制造氮化镓器件具有很大的吸引力。可以在Si上用MOCVD法生长供器件研发用的氮化镓薄膜,其失配问题利用缓冲层能得到一定程度的缓解。Hikita等设计了一种复杂的缓冲结构(在Si衬底与GaN外延层之间顺序生长8 nm AIN,40nm AI0.27Ga0.23N和20个周期的GaN/AlN超晶格,超晶格中的GaN和AIN厚度分别为20nm和5nm),在4in硅片上成功生长了1μm厚的GaN薄层,并用这个薄层作出了大功率微波器件。
  
  在蓝宝石衬底上生长用于器件制造的GaN一般也要借助缓冲层,常用的是AIN,厚度数十纳米左右。

相关阅读