JPhysD编辑优选：一种新颖的GaN基材料低温外延技术及器件验证
文章介绍
JiadongYu（余佳东）, Zixuan Zhang, Yi Luo（罗毅）, Jian Wang, Lai Wang（汪莱）, Xiang Li, Zhibiao Hao, Changzheng Sun, Yanjun Han, Bing Xiong, Hongtao Li
通讯作者：
- 罗毅，清华大学
研究背景：
GaN基半导体材料作为一类直接跃迁型宽禁带半导体材料，具有优良的光电特性，已经被广泛应用于光电子器件和电子器件的制备。在相对便宜的大尺寸的非晶衬底上直接外延GaN基薄膜有望降低器件成本，并且对制备柔性（光）电子器件和大面积电子器件也有着重要意义。目前产业界制备 GaN基外延片通常依靠传统的金属有机物化学气相沉积（MOCVD）技术在单晶衬底上外延得到，其生长温度通常较高（>800℃）。然而非晶衬底（如玻璃和聚合物）的软化温度通常较低（<600℃），无法耐受较高的传统生长温度。为了降低GaN基材料外延生长温度，课题组提出了一种感应耦合等离子体辅助的金属有机化学气相沉积（ICP-MOCVD）技术，在低温（580℃）下得到了GaN结晶薄膜并通过器件制备验证了其性能。
研究内容：
ICP-MOCVD设备采用的是易于产生高密度大面积均匀等离子体的ICP对V族前驱体（N2、NH3或两者的混合气）进行裂解，同时采用了沉积设备中常用的喷淋头结构作为带电粒子过滤装置，如图1所示。在有效降低生长的温度的同时，一方面能够获得大面积均匀的流场，另一方面可以尽量避免预反应并使高能带电粒子得到有效过滤，减少了对衬底表面的破坏性轰击。最终到达衬底表面参与反应的主要是N2(A3Σu+)等亚稳态中性活性粒子。
图1 ICP-MOCVD的结构示意图
在580℃下于平片蓝宝石衬底上生长了300nm厚的GaN薄膜，XRD的(002)面和(102)面的FWHM分别为0.35°和0.64°，在1×1μm2范围内的AFM均方根粗糙度只有0.912nm，在可见光波段的光学透过率能达到77-98%，显示出了较好的透过特性及较低的与光吸收相关的缺陷浓度，如图2所示。
图2 利用ICP-MOCVD在580℃下生长的300nm厚GaN薄膜的 (a) (002)面和(102)面XRD摇摆曲线 (b) 在1×1μm2范围内的AFM图像 (c) 光学透射谱
为了验证GaN外延层的性能，分别制备了顶栅TFT和MSM光电导型探测器，器件结构和电镜照片如图3所示。两种器件的主要工作性能与已有的报道相比均处于中等水平（如表1和表2所示），初步验证了ICP-MOCVD技术的应用潜力。
图3 (a) GaN基顶栅TFT和 (b) MSM探测器的结构示意图 (c) GaN基顶栅TFT和 (d) MSM探测器的电镜照片
表1 本工作的器件性能与现有利用低温外延技术制备的GaN基TFT的比较
注1：此处最高制备温度指的不是GaN材料的最高外延生长温度，而是包括后续退火处理等环节的最高温度。
注2：HCPA-ALD为空心阴极等离子体辅助原子层沉积（Hollow Cathode Plasma-assisted ALD）。
表2 GaN基MSM探测器比探测率（D*）的比较
注1：UID表示非故意掺杂（unintentionally doped）。
作者介绍
罗毅 教授、中国工程院院士
清华大学
- 罗毅，清华大学电子工程系教授，北京信息科学与技术国家研究中心副主任，中国工程院院士。于1983年在清华大学获学士学位，分别于1987年、1990年在日本东京大学获硕士和博士学位。1992年起受聘清华大学电子工程系教授。1995年获国家杰出青年科学基金，1999年任教育部长江特聘教授。主要研究化合物半导体光电子器件及其集成应用技术，包括激光器、LED、光调制器、光探测器，及其在光纤通信、宽带信息感知、半导体照明等领域的应用。发表学术论文300余篇，授权发明专利30余项，获得国家技术发明二等奖3项，国家科技进步二等奖1项。
期刊介绍
- 2021年影响因子：3.409 Citescore：5.7
- Journal of Physics D: Applied Physics（JPhysD，《物理学报D：应用物理》）发表应用物理各领域的前沿研究和综述，具体包括：应用磁学和磁性材料、半导体和光子学、低温等离子体和等离子表面相互作用、凝聚态物理、表面科学和纳米结构、生物物理以及能源等六个领域。文章类型包括原创性论文、研究路线图、通讯以及每年针对热点研究的专题综述和特刊。