由于硅半导体材料的成本低、应用广泛且研究成熟,所以多年来都是电力系统的首选半导体材料,包括了在电压转换等方面多种应用。然而,单纯从其工作性能上判断,硅材料却要逊色于如SiC和GaN等其他宽禁带半导体材料。将硅材料转换到GaN材料就可制造出兼有低导通电阻和低寄生电容的半导体器件,这种器件在工作时,或者在其工作模式切换时,它具有更低的电能损耗。
之所以具有这些优异的性能,是因为在这种HEMT器件的GaN和AGaN层间界面具有高迁移率的二维电子气,使得这种类型的晶体管可应用于开关模式的功率电源中。额定电压为600V的功率半导体器件已经占据了整个功率晶体管市场的四分之一,而额定电压为200V或以下的器件已经下降到了占市场的四分之三。由于GaN HEMT器件能够覆盖所有这些电压范围,所以有充分的理由相信,这种宽禁带半导体可以广泛应用于电力功率转换中。
GaN的衬底材料结构
理想情况下,制造GaN HEMT器件需要在个天然GaN衬底上来生长GaN膜层的工艺。但是,天然GaN衬底材料非常昂贵,而且它在尺寸及供应上都存在一定的限制,所以必须采用其他类型的衬底结构材料。最为常见的选择就是采用硅衬底材料,它能用于GaN HEMT器件的制造,而且与GaN衬底相比其在价格上的优势十分明显。但是,要在硅材料衬底上生长和制造这些器件并不容易,工程师们不仅要控制外延晶圆片的弯曲度,这主要是由不同材料的晶格常数和热膨胀系数所引起的,还要应对如何来处理对硅表面不利的化学反应。
其中一个不利化学反应就是硅会与氨作用形成SiN。该反应会导致无定形氮化物层的生长,它会破坏在晶格取向上的对准,同时也会影响到覆于其上GaN层的质量。采用镓浸润层也不是个可行的解决办法,因为硅可溶于液态镓中,所以镓在回熔( meltback)时会产生缺陷。唯一可选的浸润性材料只有铝,因为铝不会发生上述问题,但是此时其生长条件必须要有精确的控制,以尽量减小由共晶化所驱动的硅扩散到上部GaN层的现象。
为了避免产生上述问题,位于加州Palo Alto的Translucent公司团队首先开发了一个精心制作的缓冲层,它将有助于硅层和GaN层之间的过渡,使得MOCVD工程师在工艺设计上将具有充分的自由度。我们的缓冲层是一个绝缘性的、单晶稀土氧化物(REO),这是一种经过精心挑选的其下表面结构与硅晶格具有良好匹配的一种化合物。同时,其上表面结构也经过了精心制作,使得其缺陷生长情况与硅上的GaN生长有着完全不同,而更像是蓝宝石上的GaN生长,使得其GaN晶格能与硅衬底匹配得十分紧密。
REO氧化物的优点不仅仅是体现在晶格匹配上,而且该材料层也是化学惰性的,所以它能提供一个物理屏障来防止硅原子的扩散,也使得镓原子不可能进入到与硅相接触的状态。更为重要的是,由于REO与硅衬底晶格是匹配的,使得在我们制作衬底上所生长的外延层结构也能够保持在晶格取向上的高度对准。需要注意的是,在GaN和REO上部界面故意保持有一些不匹配性，因为这样做可以使界面变得“温和”些,并使其具有一定程度的柔性。
REO氧化物的优点
REO层提供了一种新的途径来生产具有极低弯曲度的外延晶圆片,这是硅晶圆生产线进行艺加工的先决条件。我们可以通过对硅晶圆进行预应变来控制其弯曲弧度。在 MOCVD沉积GaN层之前,我们预先将晶圆片处理成呈圆顶形的弯曲状,因为不这样做的话, MOCVD加工工艺将会自然地使晶圆片形成碗状。由于有了对晶圆的预应变处理,我们就可以得到非常平整的外延晶圆片(如图1所示,所选择的晶圆片经过了REO层的生长,采用了三维光学轮廓仪来测量其平整度)。
图1. 可以通过采用REO层来校制晶圆片的弯曲弧度。右侧的第二张曲线图对应的是没有经过沉积工艺的空白硅晶圆片。
采用这种方法后使得具有REO层的GaN外最延片非常的平整,足以足步进式光刻机对晶圆上平整度的要求。这些要求来源于步进光刻机中光保学系统的景深要求,是由SEMI所定义的最大晶圆弯曲度值。对于直径为100mm的晶圆片其弯曲弧度必须要低于40mm,而对那些直径为150mm和200mm的晶圆片而言,其弯曲弧度必须要分别低于60mm和65mm。
加入这一REO层也使得器件性能得以提升。这种REO氧化物是一种绝缘体材料,因此它能加晶体管的击穿电压。此外,一些常见的失效机理也得以解决：器件经常由于硅扩散效应而容易产生击穿失效,但是引入REO层之后就不会发生这种击穿,因为这种氧化物层成为了硅原子难以穿越的一个屏障。
在常规的器件生产制造中,为了减轻这种硅原子扩散过程的影响,就需要生长较厚的GaN层这样会增加生产成本。与此同时也必须将它与采用沉积REO层而增加的相关成本进行权衡。要注意,该氧化物层所具有的绝缘性质意味着它可以减小为达到特定阻断电压所需的GaN厚度。我们预计,通过采用REO层来防止硅原子扩散以及提高器件的耐压,我们可以将GaN的厚度至少削减25%,同时也可以省略所有的中间层,这些做法可以显著降低与器件生产相关的成本。
富有应用前景的成果
在外延晶圆和HEMT器件上的实验结果也充分支持了我们宣布的采用REO技术制造硅上GaN晶体管的优异性能。我们的工作包括了对一个100mm硅片的并行比较,以及对我们制作的基于REO模板衬底进行预应变,以抵消由MOCVD沉积层所产生的应力。这些晶圆被放置于 MOCVD批次反应室中的相邻位置,采用了标准的蓝宝石衬底沉积工艺,来制造2DEG HEMT结构。在进行沉积生长之后,带有氧化物中间层的外延晶圆片曲率只有那些生长在裸硅衬底上结构的四分之一都不到,弯曲弧度仅有14mm,具有REO层的外延晶圆片能够满足硅晶圆工艺线的规范要求(见图2)。与此相反,普通的硅上GaN晶圆片是明显超出了规范要求。
图2. 在 MOCVD生长过程中形成的晶圆弯曲弧度。这个弧度曲线显示了同一运行批次下位于同一个台盘上两个晶圆片的曲率。其中一个是裸硅晶圆,另一个是具有REO模板的晶圆。通过Lay Tec EpiTT系统对整个生长过程进行实时的监控,记录晶圆的温度,曲率以及在450nm和633nm波长的光反射信号,这些装置对整个生长工艺中的GaN表面演变情况和GaN体层的生长质量进行监测, MOCVD运行的起始时间为0,在生长3800s秒后晶圆开始冷却,拉伸应力开始对晶圆产生弯曲形变。在6400s秒后运行停止时,裸硅晶圆上的二维电子气的曲率为106/km,而在具有REO模板的晶圆上进行生长时该曲率只有11/km。106/km电子气曲率对应着133μm的晶圆弯曲孤度,这已经超出了工艺规范的要求,而11/km的电子气曲率对应着14μm的晶圆弯曲孤度,对于这一尺寸的晶圆而言正是处于其规范所要求的范围内。
采用AlN中间层就可以降低晶圆的弯曲弧度,并控制好硅上GaN HEMT器件中的缺陷扩散。这种AlN层也可以应用在我们的器件结构中,但是我们还是打算努力减少甚至省略这一AlN层，因为我们希望REO能具有AlN中间层的大部分功能(图2显示了在晶圆弯曲弧度的控制上,是如何采用REO层来使超出规范要求的工艺转变呈为能适合规范要求的工艺。
我们综合采用了透射电子显微镜(TEM)和能量色散X线分析(EDX)手段对硅上GaN AlN层和REO层的结构进行了分析,证明了REO层确实对于硅原子扩散起到了阻挡作用(见图3)。根据EDX的分析结果,在GaN层中并没有发现有硅元素的存在。此外,在GaN中也没有发现有氧和铒(Er)元素,这表明REO层将不会成为杂质沾污的来源。
图3. TEM照片和EDX成分分析表明,稀土元素氧化物层能够提供一个难以逾越的屏障来防止硅的扩散。
从X射线衍射图中可以看出,在我们所制作的模板衬底上形成的HEMT器件结构具有很高的晶体质量,它具有尖锐的AlGaN谱峰。根据研究分析,X射线衍射图中的峰宽可以用来确定该外延结构层中的位错密度。
图4. X射钱衍射显示了具有REO模板的衬底以及GaN 2DEG HEMT器件结构的组分
在(002)面衍射峰宽反射为600弧秒,而在(102)面反射为1400弧秒,该数值对应在GaN层中的位错密度为2×1010cm-2。在我们看来,这个数值是确实可信的,它进一步证实了我们的模板衬底能为后续MOCVD生长GaN提供很好的基础。
我们REO层的另一大特点就是它的生长机理和在蓝宝石衬底上沉积GaN时的机理相同,而蓝宝石是用于GaN生长最为常见的衬底,但因它所具有的绝缘特性,所以不适合用于制造电子学器件。在REO层上生长的GaN层表面的原子力显微镜扫描图显示存在有平行的原子台阶形貌,这说明发生了二维台阶的流动状生长过程一正如在蓝宝石上所发生的一样(见图5)。
未经掺杂的底层GaN的质量是由霍尔测试独立进行评估,对掺杂浓度为1.1x1018/cm3的n型GaN校正层所测量得到迁移率值为250m2V-1s-1。
图5. 原子力显微镜分析显示具有台阶流动形貌特征,在乙方向上波动为4.2m,RMS为0.5lnm。
器件上的结果
采用改良后的蓝宝石上GaN的MOCVD工艺,使得可以在硅(111)Fr2O3模板层衬底上生长HEMT器件层。AlN缓冲层是生长在Er2O3层上,接着再生长一层厚的GaN层、一个3nm厚的AlN中间层、一个30nm厚的Al0.25Ga0.75N阻挡层以及1nm厚的GaN覆盖层。在整个MOCVD沉积运行中,采用了激光反射计和具发射率校正的高温测定仪来对氮化物层的生长进行实时监控。
采用了标准的叉指图形的源极和漏极版图设计(没有采用场版),对上述晶圆衬底用标准的工艺步骤进行加工处理,诸如BCl3/Cl2反应离子刻蚀和无金接触层沉积等工艺,这些都是在现今硅上GaN FET器件中常用的处理工艺。
图6显示了这种器件在制作完成后的典型结果,证实了这种采用REO缓冲层在硅晶圆上制造Ⅲ-N族功率FET器件的新方法,可以用来替代其他在硅上沉积GaN的常用方法。我们已经证明,使用标准的MOCVD工艺,就可以制造出性能完全符合要求的器件。
事实上,这种器件所具有的性能与那些不在REO层上生长的器件相类似。此外,由于REO层所具有的化学和物理性质,我们已经证明在整个MOCVD工艺的设计自由度上已经超出了MOCVD实际可用的工艺范围。
图6. 一个典型器件布图的显微照片,显示了经加工后的REO/硅上GaN FET器件的结果：800mA/mm的漏极电流,920cm2V-1s-1的沟道迁移率,1.36x1013/cm2的表面沟道层载流子浓度和496Ω/sq的表面薄层电阻。