| 將GaN極性半導(dǎo)體晶圓的兩面用于功能器件 |
| 2024/9/30 12:36:18 |
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在完美的半導(dǎo)體晶體晶片中，空間中某一點(diǎn)的原子位置和類型從一個(gè)表面到另一個(gè)表面重復(fù)數(shù)百微米，從一個(gè)邊緣到另一個(gè)邊緣重復(fù)數(shù)百毫米。在諸如硅的非極性半導(dǎo)體中，仔細(xì)選擇晶體取向可最大化表面上器件的電子性能。像晶體管這樣的電子器件只能在硅的一面(比如說頂面)制造，而不能在另一面制造。即使使用另一個(gè)面，立方晶體的平行面也是對稱的。這意味著，顛倒翻轉(zhuǎn)硅晶片不會(huì)改變頂面的化學(xué)或電子特性。因此，以相同方式在兩個(gè)表面上制造的異質(zhì)結(jié)構(gòu)和電子器件表現(xiàn)出相同的性質(zhì)。
寬帶隙半導(dǎo)體GaN和氮化鋁(AlN)具有纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)，下方為六方晶格。這種晶體結(jié)構(gòu)破壞了沿[0001]取向(c軸)的反轉(zhuǎn)對稱性。因此，垂直于這些極性半導(dǎo)體的單晶晶片的c軸的兩個(gè)表面表現(xiàn)出非常不同的物理特性：翻轉(zhuǎn)晶體晶片類似于翻轉(zhuǎn)磁棒。兩面的化學(xué)性質(zhì)如此不同，以至于它們被用來識(shí)別金屬或氮的表面極性。盡管金屬極性表面對大多數(shù)化學(xué)物質(zhì)呈惰性，但GaN和AlN的N極性表面在含堿(如KOH和TMAH)或酸(如H3PO4)的溶液中會(huì)劇烈蝕刻。
對于兩個(gè)面，觀察到異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電子性質(zhì)有很大差異。例如，如果在AlN的N極性表面上沉積大約10nm薄的相干應(yīng)變外延GaN層，則由于導(dǎo)帶的不連續(xù)性與異質(zhì)結(jié)上電子極化的不連續(xù)性的結(jié)合，在GaN/AlN異質(zhì)結(jié)量子阱處形成二維電子氣(2DEG)。但是當(dāng)在AlN的金屬極性表面上沉積相同的大約10nm相干應(yīng)變外延GaN層時(shí)，在異質(zhì)結(jié)量子阱處形成2D空穴氣體。這些極化誘導(dǎo)的導(dǎo)電2D電子和空穴氣體在名義上不含化學(xué)雜質(zhì)如施主或受主摻雜劑的晶體中形成。使用這種極化誘導(dǎo)導(dǎo)電溝道的(Al，Ga)N/GaN HEMT在高功率和高速應(yīng)用中表現(xiàn)出出色的性能。
到目前為止，只有一面c軸取向的GaN單晶晶片用于光子或電子器件。在這項(xiàng)工作中，將GaN單晶相對面上的兩種極性結(jié)合起來，在一側(cè)實(shí)現(xiàn)光子器件，在另一側(cè)實(shí)現(xiàn)電子器件。N極側(cè)上的異質(zhì)結(jié)構(gòu)量子阱用于產(chǎn)生極化誘導(dǎo)的高遷移率2DEG，并且在相反的金屬極側(cè)上實(shí)現(xiàn)量子阱(In，Ga，Al)N p–N二極管異質(zhì)結(jié)構(gòu)。然后對這種雙面晶片進(jìn)行處理，首先是N極面的HEMTs，然后是金屬極面的藍(lán)色量子阱led。允許通過晶片另一側(cè)的HEMT開關(guān)和調(diào)制藍(lán)色LED，成功操作HEMT和LED器件。
15nm AlGaN層下面的硅摻雜用于防止在底部N-極性AlGaN/GaN界面24形成極化誘導(dǎo)的2D空穴氣體。室溫下GaN的體能帶隙為Eg1 = 3.4 eV，Al0.40Ga0.60N的體能帶隙為Eg2 = 4.5 eV。對于N極HEMT，高角度環(huán)形暗場(HAADF) STEM圖像示出了表面附近的20nm AlGaN層，其在兩側(cè)具有與GaN的尖銳界面。證明了沿生長方向的N極性晶體結(jié)構(gòu):N原子垂直位于較亮的Ga原子下方。
從生長方向看，LED實(shí)際上是金屬極性的，上面看不到襯底。這證實(shí)了晶體襯底的極性鎖定了外延層的極性，并且晶體配準(zhǔn)穿過整個(gè)GaN晶片達(dá)數(shù)百微米。這就是為什么2DEG形成在晶片的N極側(cè)，而金屬極性保留在LED的整個(gè)有源區(qū)、量子阱和電子阻擋和接觸層。LED異質(zhì)結(jié)構(gòu)的高結(jié)晶完整性也證明了在相當(dāng)苛刻的熱和化學(xué)條件下，在高溫下用氮等離子體在N極側(cè)生長HEMT異質(zhì)結(jié)構(gòu)不會(huì)破壞或降低LED結(jié)構(gòu)。
由于雙電子結(jié)構(gòu)，LED的陰極也可以作為HEMT的背柵極，這在單片開關(guān)測量中已考慮在內(nèi)。通過與n-GaN襯底的單獨(dú)接觸，當(dāng)頂部柵極電浮置時(shí)，陰極電壓可指數(shù)控制漏極電流。這種背柵效應(yīng)作為一種新的功能是可用的，或者如果不希望的話，可用半絕緣襯底代替導(dǎo)電襯底來消除。
雙電子概念延伸到幾個(gè)令人興奮的新機(jī)會(huì)。為了利用高發(fā)射效率，襯底的金屬極性面可以用于任何光電器件，例如激光二極管、半導(dǎo)體光放大器和電光調(diào)制器，而晶體管或光電探測器制造在N極性面上。這種對襯底的充分利用顯著減少了光子集成電路中所需的元件和芯片的數(shù)量。對于其他應(yīng)用，可以使用兩種GaN極性，例如，用于通信系統(tǒng)發(fā)射部分的RF晶體管功率放大器可以在一個(gè)極性上實(shí)現(xiàn)，用于通信系統(tǒng)接收端的低噪聲放大器可以在比現(xiàn)有系統(tǒng)更小的組合發(fā)射/接收模塊中實(shí)現(xiàn)集成收發(fā)器。一個(gè)極性上的n溝道晶體管與相反極性上的p溝道晶體管的組合能夠?qū)崿F(xiàn)由穿過襯底的通孔連接的新形式的互補(bǔ)晶體管電路拓?fù)洹＿@種雙電子器件可以利用極性氮化物半導(dǎo)體的寬帶隙特性，來制作新型功率電子器件和射頻電子器件。這些以及幾種相關(guān)的可能性可以允許在同一晶片的相對面上產(chǎn)生和操縱電子和光子，以實(shí)現(xiàn)新的功能。
同樣，超寬帶隙極性半導(dǎo)體AlN擁有強(qiáng)大的電聲耦合，這使其成為當(dāng)今聲波RF濾波器的首選材料。因此，Dualtronics可以利用極性氮化物半導(dǎo)體的這一特性，在同一個(gè)平臺(tái)上結(jié)合聲納(通過聲波)、雷達(dá)(微波)和激光雷達(dá)(光)。
因此，襯底表面的有效使用消除了浪費(fèi)的空間，降低了生產(chǎn)幾個(gè)晶片的能量和材料成本，這對未來的技術(shù)應(yīng)該具有極大的興趣，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出這里討論的特定極性半導(dǎo)體材料。（剪報(bào)來源：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07983-z。）
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