尽管GaN器件具有一系列的性能优势,但我们仍旧不能轻信这种宽带隙技术既能提供当今昆合信号系统所需的所有微电子功能,又能实现功耗节约和成本低廉。在硅CMOS所具备的技术先进性以及得到广泛应用的今天,我们又为什么要选择用GaN来制造高密度数字逻辑或内存器件呢？
在电路设计师的理想世界中,最佳解决方案的要义包括要将不同技术/材料实现无缝接合,就像将五彩的乐高积木搭建成为一个完整的结构体。然而,这种异构整合的概念还远未得以完全实现。
其中的主要障碍之一是在于,用于确保电子材料高质量增长的衬底往往与关键性设计标的(例如低热阻和成本)并不兼容。
为了解决这个问题,有研究实验室已经开发出一种制备器件的通用技术,它能将Ⅲ-N器件从昂贵的SiC衬底上剥离释放,这一技术将有潜力应用于独立的GaN和AlN器件结构的制作。
实现这一技术的关键性的要素是Nb2N薄层材料的性能,它具有几个重要的属性:Nb2N与GaN具有紧密的晶格匹配性,能与Ⅲ-N生长温度相兼容,以及在GaN、AlN和SiC上都可进行选择性的蚀刻。使用Nb2N薄膜作为牺牲层,工艺十分简单,在完成前道工艺和良率筛选后,可利用标准的制造设备实现将Ⅲ-N器件结构层剥离并将其转移到任何所需的衬底上。
这种新技术将能激发出器件的多项潜能,包括通过改进器件的热管理、增加对衬底的循环使用,进而来降低成本,提高分立器件的性能,还包括通过进行器件级的异构集成,来获得出色的混合电路性能。
Nb2N的研发
我们的工作目标集中在Nb2N的β相上,该金属同素异形体具有类似于SiC、GaN和AlN的六方晶系结构(参见图1,它与普通宽带隙六方晶系结构材料的细节比较)。
图1 几种六方晶体材料的能量带隙和晶格常数
除了它们具有相似的晶体结构和阴离子外,Nb2N和其他Ⅲ-N材料几乎没有共同之处。Gan在晶体生长期间有着很高的热动力学稳定性,其镓-氮原子比的变化范围可以很大。而Nb-N化合物族具有多达九个不同的相,使得所需的β相的生长变得非常困难,将高度依赖于化学计量比更为棘手的是,Nb的熔点高于2500℃,这一温度显著超过MBE的使用温度上限2000℃。
但令人值得欣喜的是,MBE生长并不发生在热力学平衡过程中,这就为通过生长动力学来扩展单B相Nb2N薄膜的生长窗口提供了可能。我们采用了配有电子束蒸发源的等离子辅助氮化物MBE系统来实现这一过程。借助这一生长设备,我们就可以克服常规MBE中喷发单元的温度限制问题,能够产生足够的金属Nb通量,以灵活地控制该材料的生长动力学过程。在MBE生长技术上的大量开发工作和材料表征手段使我们能在775℃到850℃温度区间在SiC衬底上生长出光滑的单B相Nb2N膜层，该生长温度与标准MBE的Ⅲ-N族化合物生长温度条件完全相兼容。
虽然在SiC衬底上实现β相Nb2N薄膜生长具有里程碑式的意义,但更大的挑战依然存在:Nb2N是否能与Ⅲ-N器件异质结构相兼容,以拓展它的功能,而不会影响到后续Ⅲ-N层的材料质量和电气性能呢?幸运的是，我们的工作表明,可以在Nb2N/SiC模板上生长出具有高结晶性和电学性能的AlN和GaN异质结构,这些膜层质量都与在SiC上直接生长时相类似。
一个实例可以证明生长具有器件质量外延层的可行性,我们在Nb2N/6H-SiC(硅表面)上生长高性能N极性GaN/ AL.0.4Ga0.6N来制作HEMT。这种器件结构具有很好的二维电子气性能:薄层电阻为350Ω/sq,薄层载流子浓度为1.30×1013cm2,霍尔迁移率为1400cm2/Vs。与直接在6H-SiC(碳表面)上生长的N极性HEMT器件结构相比,其迁移率的变化在10%以内。
有趣的是,在硅面SiC上金属极性薄膜的标准生长条件有可能适用于在Nb2N上来生长N-极性薄膜。通过调整Nb2N上的AlN成核层的生长参数,就可以实现极性控制并获得金属极性的取向。
对单晶金属薄层的生长能力可为Ⅲ-N器件设计师提供新的工具。研究者们在一系列实验中探索了不同厚度的Nb2N薄膜的生长,证实该材料确实是金属性的,其体电导率约为40μΩ·cm。随着其膜层厚度降至10nm以下,电导率略有增加,但即使是在4.4nm厚度时,Nb2N的薄层电阻也仅为236Ω/sq。
这些膜层的金属属性在进行Ⅲ-N的过度生长之后仍得以保留,这意味着Nb2N层可以用作为微带传输的集成接地层,或用作为主动/被动垂直型器件的埋地接触层。由于Nb2N和AlN在1500℃时会达到热动力学平衡,由于固态反应的限制,埋地的或顶部的Nb2N电极应该可以耐受高的热负荷,并表现出高的可靠性,这意味着Nb2N和AlN能够承受比常规肖特基栅极接触更高的结温。
引起固体物理学家的兴趣的是,我们的Nb2N薄膜在10K温度左右将会转变为超导材料。令人感兴趣的是,这将为开发一种在具有极化特征的超宽带隙半导体材料体系中集成一种纳米厚度超导材料的新型器件提供了可能性。
Nb2N除了作为电极材料之外,它还具有另一项富有潜力的属性,并可能会产生更大影响Nb2N易于、且具有选择性地从其他Ⅲ-N材料上实现剥离。利用非等离子气体XeF2(XeF2通常用于硅的微机电系统的加工工艺中)进行刻蚀，Nb2N可以在埋层的情况下实现垂直和侧向的快速去除,同时保证GaN,AlN或最常见的金属和电介质层不会被蚀刻。或者,利用硝酸和氢氟酸的选择性湿法化学蚀刻,也可以除去Nb2N。在这两种蚀刻方法中,通过插入Nb2N薄层,就可将一个完整的Ⅲ-N器件与其衬底彻底地剥离开来。