近日，中镓半导体与北京大学、波兰国家高压实验室开展了合作，使用乙烯气源制备出了世界最高电阻率的半绝缘GaN自支撑衬底。
实验使用乙烯气源制备了半绝缘GaN衬底，并对制备得到的GaN材料进行了表征，证明了乙烯气源的掺杂效率比传统甲烷气源高40倍。在相同测试温度下比较了现有报道的半绝缘衬底参数，使用乙烯制备的其中一个半绝缘氮化镓样品达到了目前报道的最高GaN体电阻率。
以上工作已在SEMICONDUCTOR TODAY杂志发表 [Qiang Liu et al, Appl. Phys. Lett., v121, p172103, 2022]
近年来，半绝缘SiC衬底上外延生长的GaN高迁移率晶体管(GaN-on-SiC HEMTs)已广泛应用于微波射频领域的功率放大器电路中，然而由于GaN和SiC晶体之间的晶格失配和热失配，导致GaN外延层中位错密度难以降低，并且需要在界面生长缓冲层以调控应力。基于半绝缘GaN自支撑衬底的GaN高迁移率晶体管(GaN-on-GaN HEMTs)可避免衬底和外延层的热失配和晶格失配，简化外延层结构设计，并且由于GaN-on-GaN外延层较一般GaN-on-SiC外延层的位错密度低3个数量级以上，可使二维电子气(2DEG)沟道处的晶格质量得到极大提高，进一步提高同等条件下二维电子气的迁移率。
半绝缘衬底的电阻率对HEMT器件电流夹断效果和高频漏电影响显著，一般要求半绝缘衬底的电阻率超过10^9 Ω·cm，来自日本的研究团队在半绝缘GaN自支撑衬底上实际验证了GaN-on-GaN HEMTs器件的性能，根据其报道器件的峰值附加功率效率可高达82.8%，由于目前市面上的GaN-on-SiC HEMTs器件。为了实现GaN的半绝缘掺杂，目前有C掺杂、Fe掺杂和Mn掺杂3种方案。其中C掺杂GaN衬底呈p型导电性，因此在相同掺杂浓度下可实现比Fe掺杂GaN衬底(n型导电性)更高的电阻率。传统的C掺杂气源为甲烷，裂解时主要为CH3分子团，而乙烯容易裂解为CH2分子团，是一种更容易在HVPE生长过程中并入GaN晶体的分子结构，因此乙烯的掺杂效率远高于甲烷。
本实验使用了中镓半导体开发的专有二次外延生长工艺，在2英寸4.5μm MOVPE GaN-on-Sapphire衬底上，生长非掺杂低温/高温GaN层，使用激光将GaN层剥离后，在剥离后的GaN膜层上分别使用不同流量的甲烷和乙烯气体作为掺杂源生长半绝缘GaN层，最后通过研磨和抛光将非掺杂GaN层全部磨去，得到各种不同气源与流量掺杂的GaN自支撑衬底。为了对衬底材料进行高温霍尔测试，将GaN自支撑衬底切割为5mm×5mm的小方块，并制作范德堡电极。
图1：二次离子质谱测试C掺杂GaN样品结果
实验后的样品使用二次离子质谱测试了不同样品的C掺杂浓度，如图1所示。随着通入甲烷和乙烯气体流量从50sccm增长至800sccm，甲烷掺杂样品的C掺杂浓度从1.3 x 10^17 cm^-3增长至1.7 x 10^18 cm^-3，乙烯掺杂样品的C掺杂浓度从5.8 x 10^18 cm^-3增长至1.5 x 10^20 cm^-3。对于所有样品，都检测到了约10^17 cm^-3量级的Si背景杂质，这些Si杂质来自于石英反应腔。
图2：各C掺杂样品的 (a)电阻率和；(b)空穴浓度的温度依存性；(c)碳自补偿率计算用拟合曲线；(d)绝对零度下碳能级计算用拟合曲线
霍尔效应测试结果如图2所示，样品显示p型导电性并且所有样品迁移率均小于3 cm^2/V·s。随着测试温度从315°C升高至560°C，样品的空穴密度从10^12 cm^-3增加至10^16 cm^-3，因此样品的电阻率随之从10^8 Ω·cm降低至10^4 Ω·cm，这个现象说明样品中只有单一的C掺杂能级决定着样品的电性。通过拟合计算，碳掺杂能级在0K时的激活能( EAV(0))为1.148eV。根据第一性原理计算，此能级对应了C原子替代N原子位时的受主能级。
随着C掺杂浓度升高，GaN样品的电阻率不降反升，这种异常现象是由于C掺杂的自补偿导致的，通过计算碳的自补偿率，发现在800sccm乙烯掺杂样品中，空穴几乎被完全中和，因此使霍尔效应测试无法成功测得数值。
利用自补偿效应，C掺杂GaN材料电阻率不仅轻易超过了Fe掺杂GaN材料，也超过了Mn掺杂GaN材料。800sccm乙烯掺杂样品在1000K时电阻率为10^5 Ω·cm，是目前报道的半绝缘GaN材料的达到的最高电阻率值，在相同温度下当前报道的C掺杂GaN最高报道值为2000 Ω·cm，Fe掺杂GaN最高报道值6 x 10^4 Ω·cm。在833K时，800sccm乙烯掺杂的GaN材料电阻率为6 x 10^5 Ω·cm，超过了相同温度下已知的最高Mn掺杂GaN电阻率2 x 10^5 Ω·cm。
中镓半导体作为国内首家专业研发、生产氮化镓衬底材料的企业，深耕第三代半导体市场13年，致力于技术与产品的研发和创新，将以自主研发领先国际的HVPE设备，持续探索更佳卓越品质的产品，推进高质量发展，为第三代半导体产业体系贡献力量。