这类器件一个已认识到的缺点是，其性能受限于GaN和硅（111）间晶格常数和热膨胀系数间的巨大失配。但在过去几年中外延技术领域的巨大进展正致力解决这些问题。如今，硅基AlGaN/GaN HEMT在性能上已可与碳化硅基AlGaN/GaN HEMT性能相竞争，可以预期硅基HMET很有可能嵌入到高可靠性应用中，例如L波段和X波段的机载雷达。
能够用于功率和射频开关的硅基GaN器件通常都是温度受限的。该限制通常影响所有半导体器件，但对于硅基GaN而言影响尤为重大。因此，器件运行温度受限的缺点不仅导致更低增益和效率，还会影响可靠性。
原因分析
这些可靠性相关的问题来源于器件结构。尽管硅基GaN技术中的优势能够生产非常高质量、低位错密度GaN缓冲层，要实现高质量异质结构需要在衬底上实现厚、高度缺陷化的AlGaN和/或AlN成核层，如下图所示。
图1 硅基GaN晶圆横切面透射式电子显微镜图像
这些层，包括器件顶部一个相对厚的SiN钝化层，产生一个电性能经优化的硅基GaN HEMT，但同时电热性能也因为成核层和钝化层的低导热能力而受损，如表1所示。对于成核层，因为缺陷密度的增加，导热能力在近硅衬底处减少。另一个问题是使用三元成核层，例如AlGaN，比AlN和GaN等二元组成物的导热性更低。
表1 相关器件材料的热性能
研究背景
要改变硅基GaN HEMT的电性能，已有几个研究团队就与衬底相关工程化进行创新性研究，包括法国电子、微电子和纳米技术研究所（IEMN）的Farid Medjdoub团队，通过局部移除晶体管下部的硅衬底来增加器件的击穿电压；由麻省理工学院的Tomás Palacios教授领导的团队，通过从硅衬底切换到石英石衬底在击穿电压上取得了一次重大突破。
研究目标
在海军研究实验室正采取一个整体方法来改进HEMT的性能。我们并不局限于优化电性能，同样也瞄准制造一个能够实现最佳的热和机械性能的器件。我们相信硅衬底对于GaN HEMT最终的成功是一个非常重要的元素，我们正在研究是否可以通过移除衬底和接近成核层来获得改进，成核层最终可能由有效、衬底端、电热钝化层来替代。
已有基础
我们并不是唯一探索移除衬底潜在好处的团队。MIT的Palacios团队对AlGaN/GaN异质结构下的硅进行等离子干法刻蚀，他们发现当衬底从500μm减薄至350μm二维电子气的载流子密度在增加。但是，更多的刻蚀则变得有害，当硅衬底减薄至150μm时，出现GaN外延结构的裂缝及电性能降低。
我们并不清楚出现外延层裂缝的原因。高功率等离子刻蚀导致晶圆温度上升，裂缝可能来源于热引入的额外应力，或由刻蚀导致，或两者兼而有之。因为我们很急切地希望知道器件工艺是否受限于GaN和硅间晶格或热失配，我们研究了衬底减薄工艺对器件性能的影响。
研究内容及结果
研究工作开始于研究衬底减薄对硅基AlGaN/GaN HEMT特性带来的影响。将带有金属有机气相沉积（MOCVD）生长的4英寸外延层575μm厚硅（111）衬底在室温下通过背面掩膜和化学机械抛光方式减薄至200μm和150μm。
我们使用晶圆曲率评估法和拉曼光谱学对这些外延晶圆中的应力进行了评估。随着减薄，应力在增加，并与在最终衬底厚度成反比。但是，表面电阻几乎未变，提示我们可从减薄的外延晶圆上来制造器件。图2是表面电阻等值线。
图2 硅衬底从575μm减薄至200μm和150μm并未对表面电阻产生显著改变
在进行欧姆接触退火后，材料特性降低。根据传输长度测量，表面电阻直线上升超过1.5倍，如表2所示，AlGaN缓冲层表面出现浅裂痕，如图3所示。材料特性降低的原因是高温接触退火，部分衬底移除释放了内建于异质结构中的压力。基于霍尔测量，从这些减薄外延晶圆上生长出的晶体管遭受了低漏极电流密度，以及沟道电子密度的降低，大约是原始值的1/3。该特定性研究表明了AlGaN/GaN异质结构的热脆弱性，可通过GaN和硅热膨胀系数间巨大不同而受损。
解决方案
避免因为快速热退火而导致的表面电阻阻值的显著上升有两种方法，一种是在衬底减薄前进行欧姆接触沉积，另一种是使用非合金欧姆金属化工艺。但是，我们希望选择一个更好的，并能一起去除硅衬底。
成功将依托于研发能够在不损害异质结构的情况下移除所有硅的工艺，而且不会为器件引入额外的热限制。我们的技术是在移除硅衬底后，将我们外延结构临时性地连接到热匹配的载体晶圆，我们将以高温淀积到我们的Ⅲ-N上—— 一个厚、高温导电金刚石层。
我们相信使用高导热材料替代硅衬底，如金刚石，将有助于GaN晶体管来提供优化的电热性能。但是，电热性能最终改进将不仅仅来自于移除硅衬底，将需要剥离异质结构中所有低导热层。这对我们和其他GaN HEMT的研发者都是挑战，要获得成功将需要新的器件工艺和全新HEMT结构。
其他信息
加州大学伯克利分校的Petra Specht提供STEM图像，海军研究实验室纳米科学研究所提供处理设备支持。
来源：大国重器