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摘 要：研究发现，在硅晶片上沉积厚度小于1纳米的超薄金属膜后，快速加热晶片，随后通过溅射法沉积GaN薄膜，即可轻松沉积高质量的外延GaN薄膜，有助于实现垂直GaN器件，为降低高效功率器件和微型LED器件的成本做出贡献。
关键词：垂直GaN器件、低电阻缓冲层、非晶态中间层（AL-IL）、外延GaN薄膜、垂直导电性
日本国立材料研究所（NIMS）成功开发出一种具有极低电阻和优异热稳定性的GaN外延沉积技术，该技术对于在廉价硅（Si）晶片上实现垂直氮化镓（GaN）器件至关重要。这项名为“非晶态中间层(AL-IL)”的新技术，利用由硅（Si）和氮（N）组成的超薄膜，既能减轻Si与GaN之间的晶格失配，又能使电流在衬底与GaN薄膜之间沿垂直方向流动。本成果是在硅晶片上制造垂直GaN器件的基础技术，未来有望为降低高效功率器件和微型LED器件的成本做出贡献。
传统挑战
近年来，随着AI数据中心的急剧增长等，电力消耗量的增加已成为重大社会问题。此外，为了促进电动汽车和微型LED的广泛应用以实现未来的脱碳，在廉价硅晶片上开发垂直GaN器件有望成为大规模量产“高效x低成本”功率转换元件和发光器件的关键。然而，传统上要实现垂直GaN器件，前提是使用昂贵的单晶GaN衬底，这在成本和生产效率方面都带来了挑战。当尝试使用廉价硅晶片代替单晶GaN衬底时，由于Si与GaN之间形成的中间层（缓冲层）电阻较高，导致电流难以在衬底与GaN薄膜之间沿垂直方向流动，从而阻碍了其在垂直器件中的应用。
本成果要点
此次，研究小组开发出一种新型缓冲层（非晶态中间层（AL-IL））形成技术，该技术可在硅晶片上外延生长GaN薄膜，同时在GaN/Si界面处实现低电阻纵向电导率。
如图1所示，该技术首先在硅晶片上形成厚度小于1纳米的金属薄膜，经快速加热处理后，通过溅射法沉积GaN薄膜，从而形成含Si和N的超薄非晶态中间层（AL-IL）。研究小组通过透射电子显微镜观察等证实，该中间层减轻了Si与GaN之间的晶格失配，从而实现GaN的外延生长。此外，当研究小组以溅射GaN薄膜作为底层，采用有机金属气相沉积（MOCVD）法沉积GaN薄膜时，证实了可以生长出高质量的GaN薄膜。在GaN薄膜与Si衬底之间形成电极并评估其电流-电压特性，研究小组发现，电流沿垂直方向（图1右图中黄色箭头方向）流动，并展现出器件制造所需的理想电流特性。这一成果满足了在硅晶片上制造垂直GaN器件的重要条件之一。