揭示 GaN-on-silicon HEMTs 中衬底导电的起源

实验揭示了热施主和扩散的 III 族元素是 GaN-on-silicon HEMTs衬底导电的原因

困扰氮化物界的最大问题之一是 GaN HEMTs 衬底导电的起源。这种神秘的弊病会削弱射频功率，了解其原因可以为缩小 GaN-on-silicon HEMTs 与GaN-on-SiC HEMTs 之间的性能差距提供关键的一步。

剑桥大学（University of Cambridge）和卡迪夫大学（Cardiff University）的研究人员在英国开展了一项合作，对这一问题提出了新的见解。

剑桥大学的 Saptarsi Ghosh 告诉 《 》杂志（Compound Semiconductor），他和他的同事们第一次证明了，GaN-on-silicon无意中产生衬底导电性的根源不是一个而是两个不同的来源。有来自热施主的内在贡献，以及发挥作用的外在因素，III 族扩散。

该团队已经证明，通过仔细控制 MOCVD 生长过程，他们可以减少这种扩散对器件性能的影响。

为了弄清 RF GaN-on-silicon HEMTs中衬底导电的原因，该团队在大约 18 个月的时间里进行了许多实验。 “当我们看到无法用已知信息来解释的结果时，我们不得不计划新的实验以进行更深入的研究。”

调查涉及仔细检查一系列自产样品，所有样品均在高电阻率直拉生长的衬底上生产。由于成本较高且容易发生塑性变形，因此本研究排除了区熔高电阻率晶片。

研究中包括两个参考样品 - 一个未加工的基板，另一个在 1080 摄氏度 下退火 30 分钟。该团队还采用这种退火步骤制造了另外六个样品，每个样品都有 250 nm 厚的氮化铝层。在这种外延层生长之前，研究人员用氨水预处理了 15 秒、60 秒、120 秒或 240 秒，或用三甲基铝预处理了 6 秒或 12 秒。

涡流测量表明，退火将薄层电阻从超出测量系统的限制降低到 596 Ω/平方，下降了两个数量级。通过在背面减薄后重复这些测量以消除任何背面污染，并使用二次离子质谱法和深度相关霍尔测量来探测材料，该团队查明了意外导电的原因：电子分布在整个体硅厚度中。

该团队怀疑这种体导电性的最可能原因是一个或多个热施主的产生。由于通过直拉法生长的硅衬底中存在高浓度的固有氧，因此氧被认为是一个合理的候选物。

（上图：衬底传导来自分布在整个衬底上并具有纯热施主的 n 型层，以及位于 AlN-硅界面的衬底侧并由金属有机前体的 III 扩散引起的 p 型层 。）

该团队的其他实验确定了基板导电的第二个原因：在 AlN-硅界面处产生 p 型导电层的 III 族受主。使用氨或三甲基铝的预处理持续时间会影响薄层电阻。通过明智的选择，可能高达 2000 Ω/平方左右。

导致 p 型导电性的元素扩散可能发生在 AlN 成核之前、期间或之后。预剂量处理的有效性被认为与在该成核过程的不同阶段抑制扩散有关。

Ghosh 及其同事计划进行电磁模拟，将基板导电性与射频损耗关联起来。“同时，我们正在计划生长实验，以确定大部分扩散发生在铝生长步骤的哪个部分。”

参考文献

'Origin(s) of Anomalous Substrate Conduction in MOVPE-Grown GaN HEMTs on Highly Resistive Silicon' by S. Ghosh et. al; ACS Appl. Electron. Mater. 3 813 (2021)