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將GaN極性半導體晶圓的兩面用于功能器件

2024/9/30 12:36:18

在完美的半導體晶體晶片中，空間中某一點的原子位置和類型從一個表面到另一個表面重復數百微米，從一個邊緣到另一個邊緣重復數百毫米。在諸如硅的非極性半導體中，仔細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。即使使用另一個面，立方晶體的平行面也是對稱的。這意味著，顛倒翻轉硅晶片不會改變頂面的化學或電子特性。因此，以相同方式在兩個表面上制造的異質結構和電子器件表現出相同的性質。

寬帶隙半導體GaN和氮化鋁(AlN)具有纖鋅礦晶體結構，下方為六方晶格。這種晶體結構破壞了沿[0001]取向(c軸)的反轉對稱性。因此，垂直于這些極性半導體的單晶晶片的c軸的兩個表面表現出非常不同的物理特性：翻轉晶體晶片類似于翻轉磁棒。兩面的化學性質如此不同，以至于它們被用來識別金屬或氮的表面極性。盡管金屬極性表面對大多數化學物質呈惰性，但GaN和AlN的N極性表面在含堿(如KOH和TMAH)或酸(如H3PO4)的溶液中會劇烈蝕刻。

對于兩個面，觀察到異質結構的電子性質有很大差異。例如，如果在AlN的N極性表面上沉積大約10nm薄的相干應變外延GaN層，則由于導帶的不連續性與異質結上電子極化的不連續性的結合，在GaN/AlN異質結量子阱處形成二維電子氣(2DEG)。但是當在AlN的金屬極性表面上沉積相同的大約10nm相干應變外延GaN層時，在異質結量子阱處形成2D空穴氣體。這些極化誘導的導電2D電子和空穴氣體在名義上不含化學雜質如施主或受主摻雜劑的晶體中形成。使用這種極化誘導導電溝道的(Al，Ga)N/GaN HEMT在高功率和高速應用中表現出出色的性能。

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。在這項工作中，將GaN單晶相對面上的兩種極性結合起來，在一側實現光子器件，在另一側實現電子器件。N極側上的異質結構量子阱用于產生極化誘導的高遷移率2DEG，并且在相反的金屬極側上實現量子阱(In，Ga，Al)N p–N二極管異質結構。然后對這種雙面晶片進行處理，首先是N極面的HEMTs，然后是金屬極面的藍色量子阱led。允許通過晶片另一側的HEMT開關和調制藍色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，高角度環形暗場(HAADF) STEM圖像示出了表面附近的20nm AlGaN層，其在兩側具有與GaN的尖銳界面。證明了沿生長方向的N極性晶體結構:N原子垂直位于較亮的Ga原子下方。

從生長方向看，LED實際上是金屬極性的，上面看不到襯底。這證實了晶體襯底的極性鎖定了外延層的極性，并且晶體配準穿過整個GaN晶片達數百微米。這就是為什么2DEG形成在晶片的N極側，而金屬極性保留在LED的整個有源區、量子阱和電子阻擋和接觸層。LED異質結構的高結晶完整性也證明了在相當苛刻的熱和化學條件下，在高溫下用氮等離子體在N極側生長HEMT異質結構不會破壞或降低LED結構。

由于雙電子結構，LED的陰極也可以作為HEMT的背柵極，這在單片開關測量中已考慮在內。通過與n-GaN襯底的單獨接觸，當頂部柵極電浮置時，陰極電壓可指數控制漏極電流。這種背柵效應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電襯底來消除。

雙電子概念延伸到幾個令人興奮的新機會。為了利用高發射效率，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、半導體光放大器和電光調制器，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量。對于其他應用，可以使用兩種GaN極性，例如，用于通信系統發射部分的RF晶體管功率放大器可以在一個極性上實現，用于通信系統接收端的低噪聲放大器可以在比現有系統更小的組合發射/接收模塊中實現集成收發器。一個極性上的n溝道晶體管與相反極性上的p溝道晶體管的組合能夠實現由穿過襯底的通孔連接的新形式的互補晶體管電路拓撲。這種雙電子器件可以利用極性氮化物半導體的寬帶隙特性，來制作新型功率電子器件和射頻電子器件。這些以及幾種相關的可能性可以允許在同一晶片的相對面上產生和操縱電子和光子，以實現新的功能。

同樣，超寬帶隙極性半導體AlN擁有強大的電聲耦合，這使其成為當今聲波RF濾波器的首選材料。因此，Dualtronics可以利用極性氮化物半導體的這一特性，在同一個平臺上結合聲納(通過聲波)、雷達(微波)和激光雷達(光)。

因此，襯底表面的有效使用消除了浪費的空間，降低了生產幾個晶片的能量和材料成本，這對未來的技術應該具有極大的興趣，遠遠超出這里討論的特定極性半導體材料。（剪報來源：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07983-z。）

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