Buffer-less Gallium Nitride High Electron Mobility Heterostructures on Silicon

技术摘要：硅基无缓冲层氮化镓高电子迁移率异质结构

问题陈述
III-族氮化物半导体在硅衬底上的异质外延集成受到显著晶格失配（≈19%）和热膨胀系数失配（≈50%）的阻碍。传统的 GaN-on-Si 高电子迁移率晶体管（HEMT）设计依赖于厚且具有成分梯度变化的 AlGaN 或 AlN/GaN 超晶格缓冲层，用以管理应力并过滤穿透位错（TDs）。然而，这些缓冲层会引入显著的热阻，其原因在于合金散射和界面散射，从而严重限制了散热能力。这种热瓶颈效应会导致器件效率下降、失效率增加，并迫使商业化的 GaN-on-Si 器件在功率密度上比基于 SiC 的器件降额一个数量级。此外，生长这些厚缓冲层增加了制造时间、能源消耗和材料成本，与可持续发展目标相悖。

方法论
作者提出了一种“无缓冲层”的方法，即使用金属有机化学气相沉积（MOV MOVPE）在硅上直接生长一层薄 AlN 成核层（NL）之上的 GaN。其核心方法论是在 GaN 生长过程中通过调节反应器压力（$P_g$）来控制应力演变和缺陷形成，而无需中间缓冲层。

• 生长策略： 将 AlN 成核层厚度固定在 ≈150 nm，以平衡降低位错密度与防止开裂风险之间的关系。GaN 层厚度设计为 ≈750–800 nm（总外延厚度 ≤1 µm），以优化热性能并同时维持应力管理。
• 应力调制： 反应器压力在超过一个数量级的范围内（18 至 200 Torr）进行变化，以改变生长模式。利用原位晶圆曲率监测和反射瞬态技术实时追踪应力演变和表面合并过程。
• 表征： 通过高分辨率 X 射线衍射（HRXRD）、扫描电子显微镜（SEM）和原子力的显微镜（AFM）评估结构质量。热阻通过纳秒瞬态热反射法（TTR）进行测量。电子特性通过室温霍尔效应测量和低温（1.8 K）磁输运分析进行评估。

关键结果

1. 应力与结构控制： 通过降低反应器压力，作者成功在 GaN 沉积初期诱导了压缩生长模式，从而抵消了在冷却过程中通常会导致开裂的拉应力。在 75 Torr 的压力下，产生的平均压缩应力为 (-0.90 ± 0.01) GPa，足以防止开裂并保持 (48 ± 10) µm 的晶圆翘曲，符合 CMOS 工厂的要求。
2. 缺陷密度： 无缓冲层结构实现的穿透位错密度（TDD）为 (3.4 ± 0.9) × 10⁹ cm⁻²，与最先进的厚缓冲层结构相当。高压下 TDD 的降低归因于延迟的岛状合并机制，该机制促进了位错弯曲而非攀移。
3. 热性能： 去除热阻性缓冲层后，GaN 到衬底的热阻为 (11 ± 4) m² K GW⁻¹。这比传统的 GaN-on-Si 设计降低了一个数量级，并且是在任何非原生衬底上报道的最低值之一。
4. 电子特性： 在这些模板上生长的 AlGaN/AlN/GaN 异质结展现出高质量的二维电子气（2DEG）。
   • 室温： 霍尔迁移率超过 2000 cm²/V·s，载流子浓度高达 9.6 × 10¹² cm⁻²，足以媲美包括带厚缓冲层在内的最佳 GaN-on-Si 报道值。
   • 低温： 2DEG 表现出清晰的 Shubnikov-de-Haas (SdH) 振荡，表明具有高量子质量。量子寿命测量值为 >0.180 ps，并观察到了自旋分裂（Rashb 效应）的特征，证实了高晶体质量和强通道局限性。

意义与主张
本文声称通过证明厚且具有热阻性的缓冲层对于高性能 GaN-on-Si 集成并非必不可少，从而建立了一种新的氮化物 HEMT 范式。通过绕过缓冲层，作者实现了结构完整性、热提取和电子迁移率的同时优化。

这项工作的意义在于：

• 热效率： 提供了一条显著降低沟道温度的途径，有望释放 GaN-on-Si 在功率密度方面的全部潜力。
• 制造可行性： 减少生长时间、能源消耗和材料使用，符合绿色制造目标。
• 科学平台： 为二维宽禁带系统中电子动力学、自旋分裂和介观物理的研究提供了一个可扩展且具有工业相关性的平台，此前这类研究多局限于体材料或昂贵的衬底（如 SiC 和蓝宝石）。

作者总结道，这种方法为生产适用于下一代高效能晶体管和新型量子器件的低成本、可持续生产的氮化物异质结构铺平了道路。