大阪大学成功研发2吋低成本N极性氮化铝基GaN

行家说消息 

研究成果要点

——世界首创大尺寸低成本制造氮（N）极性氮化铝基氮化镓

——通过清洗底层衬底的表面氧化膜，成功实现了高质量 N 极性 AlN 的晶体生长，并阐明了以原子级分辨率进行清洗的作用机制

——高密度， N 极性 GaN on AlN 的优势二维电子气为第 6 代移动通信系统 (6G) 的高速功率器件的普及做出贡献

概述

Yusuke Hayashi助理教授，Tetsuya Fujihira副教授，Akira Sakai教授，大阪大学工程科学研究科，Hideto Miyake教授，三重大学工程研究生院，Zexuan Zhang，Yongjin Cho博士，Huili Xing教授，Debdeep Jena，康奈尔大学教授课题组在世界上首次成功大面积、低成本生产氮化镓氮极性氮化铝（N-polar GaN on AlN）。

到目前为止，AlN 上的 GaN 仅通过稳定金属极性面的晶体生长来实现。另一方面，在功率器件中具有优异特性的N极面上的晶体生长不稳定且困难。

在本研究中，为了在 AlN 上实现 N 极 GaN，我们开发了一种直径为 2 英寸的大面积、低成本 N 极 AlN 衬底。此外，通过使用新技术“Al辅助清洁”清洁底层基板的表面，我们解决了晶体生长过程中N极性反转为金属极性的问题。

结果，我们在世界上首次通过分子束外延（MBE）成功地生长出高质量的 N 极性 AlN（图 1）和 AlN 上的 GaN，它继承了底层衬底的极性。AlN上的N极GaN能够以高密度积聚以片状分布的高迁移率电子“二维电子气”，因此有望应用于6G的高速功率器件。

这项研究的结果于 9 月 10 日发表在美国科学期刊《Science Advances》上。

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图 1. 通过铝辅助清洗成功生长高质量 N 极 AlN 晶体。

研究背景

氮化镓（GaN）是一种节能半导体材料，有望取代目前主流的晶体管材料硅（Si）。特别是专门从事电力转换的“电力设备”，可以期待显着的节能效果。

传统的 GaN 晶体管已通过利用与氮化铝 (AlN) 的混合晶体氮化铝镓 (AlGaN) 的界面处积累的高迁移率电子“二维电子气”来开发为高速功率器件。二维电子气的密度随着GaN和AlGaN之间的电极化差异而增加。

通常，AlGaN 中 20% 的 AlN 比率可提供足够高的导电性。其中，在 AlN 基板上生长 GaN 晶体的“GaN on AlN”作为一种通过将 AlN 比率提高到 100% 来实现高密度电荷存储的方法而受到关注。

GaN on AlN 表现出其性能的晶面是“金属极面”和“氮 (N) 极性有两个“面”。其中，迄今为止的研究和开发仅限于稳定的金属（Ga或Al）极性平面。另一方面，N极面存在因氧杂质而在晶体生长过程中容易反转为金属极性的问题。由于 AlN 上的 N 极 GaN 有望作为高速功率器件具有高性能，因此希望在 N 极 AlN 的稳定晶体生长方面取得突破。

研究内容

联合课题组首先研制出直径2英寸的大面积、低成本N极AlN衬底。通过廉价的溅射法在大直径蓝宝石衬底上沉积AlN薄膜并进行面对面退火，可以制造出高质量的基底衬底。这使得可以在不使用昂贵的 AlN 单晶衬底的情况下在 AlN 上实现 N 极 GaN。

此外，通过用“Al辅助清洗”清洗底层衬底的表面，我们解决了来自表面氧化膜的氧杂质将N极性反转为金属极性的问题。这是一种通过在高真空室中形成超薄Al膜来减少和挥发表面氧化膜的方法。我们通过在同一腔室中通过分子束外延 (MBE) 方法连续生长晶体，成功地制造了 N 极性 AlN 和 AlN 上的 GaN。使用透射电子显微镜进行的原子排列观察表明，形成了继承下层基板极性的高质量 N 极性 AlN 薄膜（图 1）。另一方面，未清洗的样品显示出从 N 极性到金属极性的反转。

本次制备的N极GaN on AlN样品中，在AlN衬底上晶体生长了由GaN/Al 0.9 Ga 0.1 N组成的二维电子气积累层，电子密度为3.6×10 13 cm-2个。。该值与4.2×10 13 cm-2的理论计算值一致，表明它是由电极化差异衍生的二维电子气。

本研究成果对社会的影响

这项研究的结果表明，AlN 上的 N 极 GaN 可以低成本和大面积制造。通过将这一技术突破应用于 6G 高速功率器件，我们将能够提供低功耗、低成本的下一代高速无线通信。此外，本次展示的成果不仅限于电力电子，而是可用于发光二极管等光电子的通用技术，将是一个里程碑。