技术荟 | 硅基生长氮化镓器件的新方法？

　　什么是电流崩塌效应？

　　电流崩塌效应是GaN器件漏极电压超过一定值时， 随着漏极电压的增加，电流开始下降，不能达到理想值的效应。

　　导读

　　近日，美国研究人员发现了在200mm绝缘硅基衬底（SOI）上生长氮化镓（GaN）高电子迁移率晶体管（HEMT）的新方法，该研究团队的主要成员来自于IBM T. J. Watson 研发中心、麻省理工大学（MIT）、Veeco公司以及哥伦比亚大学。他们希望在未来能够将此GaN异质结构生长技术运用到互补金属氧化物半导体晶体管（CMOS）中。

　　GaN的材料优势

　　硅材料CMOS器件由于硅本身的特性，并不适合用于高压大功率电子设备中，比如光伏逆变器、电动汽车充电桩和直流转换。然而，GaN因其拥有较高的禁带，能够提供更高功率以及更好的性能表现。因此，采用GaN材料的CMOS、HEMT器件能够更好的胜任这些应用。

　　硅衬底的结构及生长过程

　　如图1所示，对于新的器件结构，研究人员首先采用750μm的硅（111）作为衬底，然后在其上生长145nm氧化层（SiO2）以及80nm的硅（100）层。通常，晶向为（111）的硅材料主要用于生长GaN,而硅（100）主要用于CMOS器件的应用。

　　其次，研究人员将硅（100）表面进行表面氧化，在表面形成40nm的氧化层（图1（a））。这样的结构更适合生长14nm工艺的CMOS。

　　然后研究人员在硅（111）表面蚀刻面积为200μmx200μm的区域作为GaN生长区域（图1（b））。

　　图1 MOCVD生长的硅（111）以及硅（100）横截面：（a）CVD-SiO2层生长，（b）蚀刻硅（111）表面,（c）Si3N4隔离层，（d）干法蚀刻移除部分Si3N4，（e）生长AlGaN/GaN HEMT，（f）通过化学机械抛光去除CVD-SiO2层

　　如图1（c），研究人员使用氮化硅（Si3N4）在（b）的基础上生长隔离层，这层结构能够有效的隔离硅和镓元素之间的互相掺杂问题。

　　HEMT器件的生长过程

　　如图1（e）,GaN与AlGaN材料同样采用了MOCVD工艺：（1）130nm 1050°C AlN层生长，（2）1.5μm 1035°C GaN缓冲层和沟道层生长，（3）1nm AlN 垫层、20nmAl0.25Ga0.75N阻挡层以及3nmGaN保护层生长。然后再在其表面生长3μm宽的栅极以及源极和漏极。

　　器件特性

　　如图2，根据不同的蚀刻面积尺寸，电子迁移率也会随之变化。但是漏极电流的最大值却一直保持大致相同的水平（图中红色曲线）。研究人员表示，电子迁移率随着面积尺寸的减小而降低，是主要因为在较小面积的情况下，材料具有更强的应力松弛能力。

　　同时，研究人员发现，电流崩塌效应在最大200μmx200μm的面积尺寸上的概率有所增加（小于25%），但是这个效应在较小面积的器件中只有不到6%。例如，通过实验测量，一个100μmx100μm面积尺寸的器件，其电流崩塌的概率只有不到2%。

　　结论

　　研究人员认为，在这种图案化GaN器件中，电流崩塌似乎是与应力松弛有关，在较小的面积里，概率发生更低。尽管目前对于这种现象并没有准确的说明，但是研究人员相信缺陷和应力变化对于图案化GaN器件的电流崩塌存在重要的影响因素。

　　参考文献

　　K. T. Lee et al., "GaN Devices on a 200 mm Si Platform Targeting Heterogeneous Integration," in IEEE Electron Device Letters, vol. 38, no. 8, pp. 1094-1096, Aug. 2017.

　　doi: 10.1109/LED.2017.2720688