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1、Si基氮化物结构与器件Hongxing JiangTexas Tech University 基于Si衬底的氮化物材料优势挑战和方法电学和光学特性 基于Si衬底的氮化物器件发射器高电子迁移率晶体管其他 总结2氮化物的成功 始于3通常半导体的带隙氮化物半导体具有直接带隙: 0.7eV-6.1eV. 4GaN和其他半导体的比较宽带隙化学稳定性好易于制备高质量欧姆/肖 特基接触易于和SiO2, HfO2形成高质量界面适于制备高功率高温电子器件高电子迁移率/饱和速率高的面电荷密度 高的击穿电场5可用的衬底Si作为衬底的优势:较匹配的物理特性/单晶质量高/成本低12英寸的衬底都可以提供 导电性能良好 由
2、于高的热导率导热性能好 和其他Si基处理器兼容性好 可以扩展应用由红外到紫外 易于和Si基器件集成.6强大的Si工艺从第一支晶体管的发明到今天已经成熟应用的45纳米集成电路芯片, Si 基半导体工艺已经被人类发展到了登峰造极的水平. 这一点从集成电路 的集成度和著名的摩尔定律的复合程度就可以看出来. 7Si基光子学1)光源2)指示灯3)调制4)光探测5) 集成波导器件 6)智能芯片8Thomas Swan 6x2” 金属有机化学气相沉积系统MO源: 三甲基镓, 三甲基铝, 三甲基铟 V族源: 蓝氨 掺杂剂: 二茂镁, 硅烷 衬底: 7x2” 或者1x6” 硅9主要的氮化物光学材料和器件外延、制
3、备和 检测设备：MOCVD系统深紫外光刻设备ICP 刻蚀设备等离子体辅助化学气相 沉积, 电子束蒸发设备扫描电镜, 电子能量损 失谱 电子束光刻原子力显微镜表 面分析可达200nm的深紫外皮秒飞秒时间 分辨光学测量设备深紫外扫描近场 光学显微镜倒装焊外延片绑定 系统X射线衍射扫描霍尔电学测量设备10基于Si衬底的GaN基材料11C面蓝宝石衬底上生长的GaN12六方晶体的不同晶面生长在(0001)蓝宝石衬底上的 (0001)面AlN的原子排列13%的晶格失配30o旋转13Si上外延GaN晶面之间的方向关系GaN/Si方向关系:由于面内不同的热膨胀系数, 生长在 Si上的GaN在降温时将会受到张应
4、力.产生X射线衍射布拉格峰的展宽14Si上生长III族氮化物器件的优势 低成本: 6英寸的Si只有不到20美元可以达到大尺寸:12英寸衬底高的热导率, 比蓝宝石高3倍 (150 vs 25 W/mk)易于和Si基器件集成 (CMOS+发光器件+探测器) 低制备成本. 15生长方法和挑战最广泛应用的衬底为蓝宝石和SiC. GaN在Si上生长遇到的问题: 大的晶格失配, 导致高的位错密度. 热膨胀失配, 导致高的张应力, 外延层的开裂. Si进入到GaN材料, 导致高的背景载流子浓度, 很难实现p型. Ga和Si之间随温度的增加具有强烈的化学反应, 导致外延层和衬底 之间的界面被破坏.16Si上外
5、延GaN遇到的问题1. 面内晶格常数的巨大差异2. 热膨胀系数不同3. Ga和Si高温下反应4. SiNx的形成阻止进一步生长导致衬底的弯曲, 超过临界厚度之后将 会产生开裂 降温时张应力的形成 (0.9GPa/1um) 外延层产生开裂 (1um) 导致富Si, 富Ga区域的形成. 引入Si背景 导致在生长中Si的表面迁移, 形成3D针 状生长, 表面受到破坏.17相应的生长方法 缓冲层方法: 补偿晶格失配, 为GaN的生长提供基础.应用到的缓冲层: *低温GaN: 在蓝宝石衬底上经常用到. 但是在Si衬底上采用LT-GaN缓冲层, 如果Si表面被暴露 出来之后将会产生氮化物(SiNx), 将
6、会形成多晶的GaN.而且这种情况下, Ga和Si的反应也会发生.*氧化物缓冲层: 无定形的Al2O3. 尽管这层的晶体质量差, 但是可以生长单晶的GaN.*HT-AlN和LT-AlN结合: (常用的方法)晶格失配小: 由于Al-N结合能强, 可以保护Si衬底. 在AlN生长之前进行几个单层的预处 理. 18高质量AlN/Si模板XRD摇摆曲线XRD/2扫描19AlN和GaN的光致发光测试生长在Si和蓝宝石衬底上的比较20生长方法Si上长GaN应力降低的方法应变工程: 在图形化衬底上生长 采用单晶AlN或AlN/GaN多层膜应变层实现应变弛豫 不同buffer层的应用(AlAs, Al2O3,
7、SiC, BN, TiN.)张应力的补偿通过: 应变超晶格; AlGaN过渡层; SOI(生长一层薄的绝缘Si)作为牺牲层; 多孔Si衬底的应用. 21使用过渡层的无裂纹的GaN采用过渡层在Si衬底上 生长的无裂纹的GaN没有用过渡层在Si衬底 上生长的无裂纹的GaN各层结构美国专利22Si上外延GaN应力的释放1. 应变工程 2. a) 图形化衬底上生长 3. b) 侧向外延生长2. 张应变释放应变超晶格(SLS)SOI衬底渐变AlxGa1-xAs层优化AlN和GaN的厚度 周期数不会影响后面GaN的生长2.5微米物龟裂的GaNXRD 半峰宽达到 500arcsec 超晶格作为穿透位错的过滤
8、器 沿-110Si方向刻槽- (11-22)GaN小面快速生长 (翼区倾斜-0.5o) 沿11-2Si方向刻槽-(1-101)GaN小面生长缓慢(翼区不倾斜)23生长方法熔融刻蚀: 在高温下, Ga和Si形成的合金将会在最初阶段产生强烈 快速的反应, 破坏衬底和外延层. 后果: Si溢出, 产生裂纹. 解决办法: 引入富Al的buffer, 覆盖衬底.氮化,将会导致SiNx的产生, 阻止Si的溢出.这种反复刻蚀将会破坏GaN和Si衬底, 采用AlN 作为缓冲层 的GaN的 SEM表面显示具有很粗糙的形貌. 截面形貌表明GaN具有孔洞24生长方法图形化衬底上生长对衬底或者缓冲层进行掩膜或者刻蚀
9、. 这种方法并不会完全避免裂纹的产 生, 但是将会把裂纹引到掩膜处或刻蚀的部分. 25生长方法优化AlN和GaN的厚度 周期数不会影响后面GaN的生长2.5微米物龟裂的GaNXRD 半峰宽达到 500arcsec 超晶格作为穿透位错的过滤器26生长方法多孔Si上生长 具有纳米孔状的Si衬底 生长样品的单晶性 可以降低热应力 在高达1050度时仍然稳定 . 直接在多孔Si衬底上生长 GaN产生多晶的GaN AlN作为缓冲层可以提高 粘附性并使得界面陡峭. 27Si(001)衬底上外延GaN采用纳米尺度的侧向外延生长方法28采用MOVPE方法在Si(001)面选取生长KOH熔融刻蚀Si衬底上生长G
10、aN c轴的倾斜:选择GaN上表面调节热膨胀系数失配29采用SiNx插入层在Si(111)上生长GaN各层结构30采用SiNx插入层在Si(111)上生长GaN估计腐蚀坑密度31由于衬底的传导性能好, 通过Hall 测量载流子浓度和迁移率并不可靠. 适合的测量方法为: 拉曼光谱测量 电容电压法测量 (CV)拉曼光谱测量: 在介电常数和有效质量已知的情况下, 由上述两个公式可以由拉曼线型拟和出阻尼常数和频率. 电学测量32电学测量需要制作一个肖特基结(金属半导体接触) 来形成耗尽层, 类似 于电容器.通过结电压的改变来改变耗尽层的宽度. 电压和耗尽层的依赖关系可以提供半导体的界面特性的一些参数
11、, 像掺杂情况, 杂质的浓度等. 电容测量法电压(CV)当采用高阻Si衬底时可以用Hall来测量. 33光学测量(111)Si上GaN的变温 PL测量和反射率, 10K 自由激子在室温下的半峰宽为33meV 在3.459 eV下, 10K下I2跃迁的半宽为10 meV 当从300K降温到10K时, 带边增加62meV(在蓝宝石上生长的GaN变化为70meV) 这是由于Si衬底高的热膨胀系数导致的34光学测量MOCVD方法生长在SOI上的GaN的光致发光峰位: 3.47 eV(3.48 eV)半峰宽为21 meV总体来说, 和蓝宝石上的GaN相比, 由于张应变, 带边峰为有蓝移 光谱的半宽较宽
12、强度较弱35Si衬底上的GaN纳米结构通过射频等离子体辅助分子束外延方法在 Si(111)上生长的GaN纳米杆高分辨扫描电镜图像, 尺度150nm (a)截面图, 尺度2 um (b)平面图, 尺度1 um随激发功率变化的GaN纳米 杆的光致发光光谱. 尺度 为150nm (a) 80nm(b).施主束缚激子(I2)是主要 的发光峰.36MOCVD方法生长的GaN基纳米柱, 通过Au和Ga金属预处理扫描电镜图像:Si(111)上的Au+Ga扫描电镜图像: Si(111)经Au处理的GaN纳米柱结构(a) 低放大倍数图像显示方向无序(b) 在800度退火后的GaN单晶纳米柱扫描电镜图像: (a)
13、 倾斜图像, (b) 阴极荧光像Si(111)上的GaN纳米柱的室温光致发光光谱37等离子体辅助生长的Si(111)衬底上的AlxGa1-xN纳米柱a) 扫描电镜截面图, AlGaN小的柱状区域样品;b) 截面高分辨透射电镜图像, 表明无大的缺陷38植入到AlxGa1-xN纳米柱中的GaN量子微盘, 采用 等离子体辅助MBE方法在Si(111)上生长39总结 (材料生长) 在Si上生长GaN基材料最重要的问题是应变的控制 各种各样的缓冲层被广泛地尝试, 但是效果有限 过渡层比较重要 材料中的位错密度已经可以下降到109cm-2量级 下一步降继续提高材料质量, 使得和生长在蓝宝石上的GaN可以比
14、拟40生长在Si衬底上的GaN基器件41 与其他器件相比III族氮化物光电/光子器件的优势 III族氮化物生长在商用的Si 衬底上的原因 在Si上外延GaN 的生长技术和问题 在Si上外延的GaN基器件的性能a) 功率/开关器件: 晶体管, 高电子迁移率晶体管, 场效应晶体管 b) 发光/探测器件: LED/探测器/传感器c) 纳米杆/微盘型器件; 结论和总结.提纲42生长在Si上的氮化物LEDs的历史 1998年, S. Guha 小组首先报道了MBE在(111)面Si上生长的紫外和蓝光LED 1999年, C. A. Tran 小组报道了MOCVD生长的多量子阱InGaN/GaN LED
15、(450-480 nm) 降低外延层中开裂的方法u buffer层的使用: AlN, HfN, AlAsu 图形化衬底u 插入不同的中间层: 超晶格, 渐变层.431998年IBM制备的第一个Si衬底上的GaN基紫外和紫光LEDsSi衬底上实现GaN的p型掺杂之后, LEDs很快 实现了发光. (1998年) 多色LED是通过有机荧光粉得到的. 446英寸Si衬底上的InGaN/GaN LEDs直接外延片采谱45电流电压特性Si衬底上生长的蓝光LED 的电流-电压特性(KSU): 20 mA下的正向电压为4.7 V; 20V的反向漏电为27 A; 微分电阻为30.466英寸Si衬底上的InGa
16、N/GaN LEDs47开裂的原因uGaN和Si物理特性的不同u热失配和晶格失配u污染u衬底温度均匀性: 相应的热失配在6英寸Si衬底上生长无裂纹的GaN非常困难u整个外延片温度的均匀性u机械强度48外延片开裂和发光波长裂纹 发光波长降低 Si上生长GaN基LED存在强烈的张应力49Si上生长的(1-101)和(11-22)面的GaN基LEDs- 峰值波长: (1-101) 440nm (11-22) 420 nm - 随驱动电流的增加EL强度线性增加 - 两种LEDs中出现轻微的蓝移50SOI/Si衬底上的InGaN/GaN LEDs生长在(a) 45 nm SOI(111)和(b)Si(111)体材料衬底上 的6英寸无裂纹的GaN模板. AlN和Si/SOI之间良好的 界面导致了GaN的高反射率. 下面两图是在(c) Ga
