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来源：上海微系统所，集成电路材料全国重点实验室，异质集成XOI课题组中国科学院上海微系统与信息技术研究所异质集成XOI课题组基于“万能离子刀”剥离和表面活化键合技术制备了无缓冲层的GaN/Si(100)异质集成材料，并利用该材料阐明了硅基GaN射频损耗的主要来源——P型导电寄生沟道形成的物理机理。相关研究成果以“Elucidating the formation mechanisms of the parasitic channel with
buffer-free GaN/Si hetero-bonding structures”为题在线发表在Applied
Physics Letters期刊上。论文的共同第一作者分别为上海微系统所的博士生石航宁和博士生丁佳欣，论文通讯作者为上海微系统所游天桂研究员和欧欣研究员。该工作得到了国家重点研发计划青年科学家项目和国家自然科学基金等项目的支持。
随着5G通信技术的需求增长，Si基GaN射频电子因其大晶圆尺寸、低成本、CMOS工艺兼容等优势，得到了快速的发展和应用。然而，Si基GaN射频技术面临的严峻挑战——寄生通道产生的射频损耗严重影响GaN-on-Si射频电子器件的性能。近年来，研究人员通过控制外延工艺条件来研究寄生沟道的形成机理以及抑制方法，主要将寄生沟道的产生归因于III族原子（Al、Ga）在高阻Si衬底中的扩散和掺杂。但一些研究报道认为极化效应在III-N/Si界面引起极化电荷导致寄生沟道。寄生沟道导致射频损耗的来源和形成机理仍是有争议的，澄清寄生沟道的形成机理已成为国际研究热点。然而已报道的研究工作主要基于Si衬底上异质外延Al(Ga)N，难以准确分辨寄生沟道的成因究竟是元素扩散掺杂还是极化效应，因为无论如何控制不同的外延条件，这两种因素都是同时存在的。上海微系统所XOI课题组通过表面活化键合（SAB）和离子束剥离技术（ion-cutting），成功实现了晶圆级GaN单晶薄膜与Si(100)衬底无缓冲层直接键合的异质集成材料，该材料非常适合于研究GaN与Si材料之间的直接反应，以研究并澄清寄生沟道形成的物理机理。
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图1 (a)-(c)直接SAB键合与离子束剥离技术制备晶圆级Si(100)基GaN单晶薄膜异质集成材料流程图；(d)刚转移的GaN薄膜与(e)高温后退火的GaN薄膜表面光镜图像通过离子束剥离与SAB键合技术制备晶圆级Si衬底上GaN单晶薄膜异质集成材料的工艺流程如图1（a）-（c）所示。非故意掺杂的自支撑GaN单晶晶圆首先进行H离子注入；之后在超高真空条件下与Si(100)衬底键合。键合对在350 ℃退火剥离，将GaN薄膜从原始的GaN晶圆剥离转移到Si(100)衬底上，记为GaNOS-AT；随后将部分GaNOS-AT样品在800 ℃进行2小时的高温后退火工艺，记为GaNOS-PA。
图1（d）和（e）所示分别为GaNOS-AT和GaNOS-PA的表面光镜图像。GaNOS-AT表面干净平整，然而GaNOS-PA表面出现了点状碎裂，其来源于GaN/Si界面在高温下的回融蚀刻反应。
通过范德堡法霍尔效应测量了高阻裸Si衬底、UID GaN单晶片、GaNOS-AT和GaNOS-PA室温下的电学参数。结果如表1所示。
表1 霍尔效应测试结果
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Si(100)衬底展现出高阻的性质，UID GaN bulk具有相对较高的N型背景载流子浓度。GaNOS-AT霍尔测试的结果非常接近于高阻Si衬底，归因于刚转移的GaN薄膜内残留的大量H离子引起了刚转移GaN薄膜的电学绝缘。GaNOS-PA的霍尔测试结果显示P型寄生沟道的形成。并且可以证实寄生沟道并非来自于极化效应，否则GaNOS-AT也会因极化效应而产生寄生沟道。因此，寄生沟道唯一的来源是由于Ga原子扩散进入高阻Si衬底中，并在高温退火工艺中被激活形成受主。
为进一步验证P型寄生沟道的起因和本质，对GaNOS-PA进行不同时间的刻蚀工艺处理，得到不同厚度的GaN薄膜。霍尔效应测试结果如表2所示。表2 不同膜厚的 GaNOS-PA 的霍尔效应测试结果
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差分霍尔效应测试结果显示，载流子面密度Ns几乎保持不变，这证实了寄生沟道并非位于GaN层，而是存在于键合界面处的Si层一侧。此外，对GaNOS-PA样品开展了变温霍尔效应测试，Ns的测试结果如图2所示，通过线性拟合可提取出杂质电离能（激活能）为61.3 meV，接近硅中Ga受主杂质元素激活能约65 meV。可以确定界面P型高导电寄生沟道是来自于Ga元素对高阻Si衬底的扩散掺杂。
综合上述霍尔效应测试结果，可以清楚地证实寄生沟道是存在于GaN-Si键合界面的Si一侧的薄P型高导电层，并且确定了寄生沟道来自于III族的Ga原子在高温后退火工艺中扩散进入高阻Si衬底并作为受主激活形成P型掺杂。并且完全排除了极化效应是寄生沟道的形成因素。
通过STEM表征GaNOS的截面微观结构和界面元素扩散情况。如图3所示，(a)-(d)和(e)-(h)分别为GaNOS-AT和GaNOS-PA的HAADF-STEM图像。图(a)显示约285 nm厚的GaN薄膜键合于裸Si(100)衬底，高倍图像(b)(c)显示GaNOS-AT的键合界面是非晶混乱的，这归因于SAB工艺中Ar离子对材料表面轰击激活，形成了极薄的非晶混合键合界面。图(d)为通过EDS测试键合界面的元素分布图，展现出一个元素混合的键合界面，细致分辨可见仅有少量Si元素扩散进入GaN，而Ga元素大量地扩散进入Si衬底。图3 (a)-(d)GaNOS-AT的截面STEM和元素分布图像；(e)-(h)GaNOS-PA的截面STEM和元素分布图像图3(e)所示为GaNOS-PA的整体结构。我们观察到了非常严重的回融蚀刻现象，如图3(f)-(h) GaN/Si键合界面高倍HAADF图像所示，Ga原子以团簇聚集呈液滴状蚀刻Si衬底，而与此同时构建了清晰分明的键合界面，N原子几乎没有扩散进入另一侧，而被蚀刻的Si衬底呈现出Si元素的缺失和Ga元素的侵入。![]()
图4 通过(a)EDS和(b)SIMS获取的键合界面元素分布
通过EDS获取的键合界面附近元素含量百分比分布如图4(a)所示，GaNOS-AT相比于GaNOS-PA具有更陡直的界面，显示高温后退火工艺引起更多的Ga-Si元素互扩散。通过SMIS表征可以同样佐证反映键合界面处元素的相对含量和分布，GaNOS-AT和GaNOS-PA两个样品使用完全相同的SIMS测试条件。结果如图4(b)所示，高温后退火工艺后，Si衬底中Ga元素含量明显升高。
结合霍尔效应测试的实验结论，可以清晰地阐明寄生沟道的形成的物理机理：高温后退火工艺促进了Ga元素的进一步扩散，并且使扩散进入高阻Si衬底的Ga原子被激活作为受主，产生了一层高导电的P型寄生沟道。
本研究基于直接键合的GaN/Si(100)材料，研究并澄清了P型寄生沟道的形成机理。即使在低至350 ℃的退火温度下，Ga原子也会在键合界面处向Si衬底扩散。800 ℃的高温后退火工艺加剧了Ga原子的扩散，并激活形成P型高导电寄生通道。同时引发了Ga原子的聚集并在界面处产生了回融蚀刻。
为避免GaN与Si的界面反应导致的寄生沟道和回融蚀刻问题，可以在键合工艺中，键合界面引入SiO2、Si3N4等作为阻挡层，制备得到GaNOI异质集成材料可用于后续的外延和器件制备。
文章链接：https://doi.org/10.1063/5.0188656
