GaN透明電晶體

越來越多的努力投入到開發隱形電路及其光電器件中。這個領域被稱作透明電子或者薄膜透明電子器件領域，有望產生許多新產品和新商機。僅舉幾個例子，比如它可能會引導汽車智能防風罩、智能建築窗戶、透明平板顯示器和透明太陽能電池板產品的出現。

在許多透明電子系統中，電晶體都是至關重要的部件。如今，這種器件通常是薄膜電晶體形式，由In2O3、ZnO2、SnO2等透明導電氧化物材料製成。

不過，薄膜電晶體的性能遠遠低於更常見的可視電晶體，如矽基MOSFET。這歸因於透明電晶體材料的固有物理性質差，包括多晶結構、低熱導率、低電子遷移率——在In2O3、ZnO2和SnO2中，遷移率通常僅為100 cm2 v-1 s-1，是矽基電晶體的四分之一。低電子遷移率阻滯了透明電晶體的電流承載能力。目前，薄膜電晶體受限於低電流、低速率、且需高壓驅動。當務之急是找出能生產透明高性能器件的替代材料。

替代導電氧化物的候選材料包括碳納米管、石墨烯和二維過渡金屬二硫化物。不過，它們皆存在著實際應用中很難克服的缺陷。碳納米管受限於團聚、分散、純化和排序的問題；石墨烯妥協於產出優質材料的製造問題，其固有的帶隙限定阻礙電晶體通道完全閉合；二維過渡金屬二硫化物受損於其比透明導電氧化物還低的載流子遷移率。

在新加坡-麻省理工學院研究與技術聯盟，正在先行研發一種有前景的替代材料：GaN。從光學角度看，GaN的帶隙為3.42eV，與其他競爭者的帶隙相似（In2O3、ZnO2和SnO2帶隙分別為3.75 eV、3.35 eV和3.6 eV），鑑於GaN吸收波長為362 nm，能夠在整個可見範圍內實現透明。從電氣性能角度看，GaN完勝。塊體GaN電子遷移率是矽的兩倍多，而二維電子氣形態的GaN電子遷移率則是矽的四倍。正如GaN具有高臨界擊穿電場和高熱導率，GaN也具有遠高於矽的載流子飽和速度。

透明電晶體的障礙

典型GaN電晶體的核心是一個導電通道，它由AlGaN阻擋層和GaN緩衝層間界面上產生的二維電子氣形成（見圖1）。這種器件傾向在一個異質基板上生產，典型的是矽或碳化矽，並具備三個電極：源極、漏極、柵極。為確保透明性，透明有效材料即氮化鎵基材料——必須與透明基板和透明電極一起使用。

使用透明基板並不困難。雖然許多氮化鎵器件是在不透明基板例如矽上生長氮化物層而形成，但同樣有許多透明材料可供選擇，包括SiC、藍寶石、AlN和原生塊體氮化鎵。不過，所有這些材料價格昂貴，而最常用的透明電路基板——玻璃，則非常便宜。

我們的解決方案是一個兩步式製程，可在玻璃基板上形成氮化鎵電晶體。第一步是在將氮化鎵層轉移到玻璃基板之前，將氮化鎵材料沉積在便宜但可見的矽基板上。或者，我們可以使用最近由東京大學Hiroshi Fujioka研究小組研發出的新技術，直接在玻璃基板上濺射氮化鎵材料。

電極該如何製作呢？一般地，氮化鎵電晶體以鎳和金的薄膜組配作為柵極金屬，並採用肖特基接觸或金屬氧化物半導體（MOS）結構。為確保透明，我們可以調整這種設計，將這些不透明金屬改變為透明導電材料如氧化銦錫，它廣泛應用於透明電子產品中。這種氧化物是個好選擇，因為它能與AlGaN/GaN形成良好的肖特基接觸，並在GaN電晶體中起到柵極的作用。有一些報導證實在氮化鎵電晶體中可存在銦錫氧化物（ITO）柵極，並且已經表明，在氮化鎵器件中以氧化銦錫（ITO）為材料的MOS結構也可以用作GaN器件的透明柵極。

對於源極和漏極，我們必須在源極和漏極材料以及通道材料之間形成歐姆接觸。傳統的材料選擇是金屬，例如鈦和鋁的薄膜組配。僅用ITO來代替這些不透明材料並不可選，因為金屬氧化物不能與二維電子氣形體形成歐姆接觸（見圖2）。請注意，儘管提高退火溫度可以增加載流，但即使在900°C時，二者也無法形成歐姆接觸。

透明歐姆接觸

對能帶的模擬揭示了為何ITO不能在氮化鎵電晶體中形成良好的歐姆接觸。模擬結果表明，ITO和在AlGaN和GaN界面的二維電子氣之間存在著一個高能勢壘（見圖3（a））。這個勢壘阻礙電子在氧化銦錫和氮化鎵三角阱之間平順移動，從而妨礙二者形成好的歐姆接觸。若想實現歐姆接觸，則需要一種方法來降低AlGaN/GaN材料導帶以貼近ITO，從而使能量勢壘最小化（見圖3（b））。

利用離子注入摻雜AlGaN和GaN是降低電子導帶的一種有效方法。我們在這方面有著豐富的經驗，優化了離子注入技術以形成高摻雜的AlGaN/GaN區域，並在GaN電晶體中實現了良好的CMOS兼容歐姆接觸。我們的努力包括開發出一種激活退火法，使用氨而不是更常見的氮來減少氮化鎵電晶體在高溫退火過程中的表面損傷（見圖4）。我們通過優化離子能量、劑量、活化退火熱預算和金屬退火後熱預算，實現了注入區在良好歐姆接觸和方阻方面都有優良的結果（見表2）。

最近，我們已經將這些矽離子注入技術應用到我們的透明器件上。我們採用的注入條件是30 keV能量，2 x 1015 cm-2劑量，加上80 keV能量，2 x 1015 cm-2劑量，傾斜7°，使用300 nm SiO2層作為硬保護膜。用PECVD來沉積。我們通過在氨氣氣氛中加熱到1200°C 保溫5秒來激活矽離子。最後一步是濺射ITO薄膜，然後在氮氣氣氛中退火。

這種方法可以在ITO和矽注入的AlGaN/GaN異質結構之間形成良好的歐姆接觸（見圖5）。注意到退火溫度僅為400°C時就會形成良好的歐姆接觸。回想一下，這與未注入矽的樣品在600°C以下退火時沒有任何電流形成鮮明對比（見圖6）。因此，矽注入毫無疑問對ITO和GaN材料之間形成歐姆接觸非常有利。

工作電晶體

為了測試這種方法，我們將透明的源極和漏極歐姆接觸技術應用到了真正的氮化鎵電晶體上，其設計如圖1所示。在這些器件中，二維電子氣霍爾密度和遷移率分別約為8x 1012cm-2和1500-1600cm2 v-1s-1。在矽離子注入的輔助下形成ITO歐姆接觸，然後在600°C的氮氣氣氛中退火1分鐘。

在我們的器件上進行直流測試，顯示結果優良，表明氮化鎵在未來透明電子系統中有很大的應用潛力。我們的電晶體柵極—源極距離為1.5μm的，柵極長為2μm，柵極—漏極距離為9.5μm，呈現的最大漏電流為602 mA/mm，最大跨導為121 mS/mm，閾值電壓通常為-3.0 V。這些值均與傳統金屬電極器件相似，可以表明ITO柵極和製造工藝不會在器件表面引入明顯的附加電荷。據其他的可靠報導，ITO和AlGaN/GaN之間的肖特基勢壘高度為0.7eV，略高於0.62eV。

我們的工作著重強調了透明氮化鎵電晶體的潛力。為了促進其發展，我們還將進一步優化透明歐姆接觸和降低接觸電阻。這可能會引導誕生出具有優良射頻或功率性能的完全透明氮化鎵電晶體，並最終實現氮化鎵透明電路和系統的量產。

表1. 氮化鎵透明導電氧化物和如今透明電晶體中的載流子遷移率比較。

表2. 採用新加坡-麻省理工學院研究與技術聯盟開發的矽離子注入和CMOS兼容（Ti/Al金屬）歐姆接觸技術，在注入區域的方阻（RSH）和歐姆接觸（RC）方面都取得了良好的效果。

圖1. 傳統氮化鎵電晶體一定能修改成透明器件。

圖2.（a）在不同退火溫度下，兩個ITO電極測得的電流-電壓（I-V）曲線。結果表明，當退火溫度低於600℃時電流很小，可以忽略不計。將溫度升高到700°C會有電流出現，但即使退火溫度高達900°C，歐姆接觸也無法形成。該電晶體（B）中的氮化物材料由外延片供應商IQE通過將200 mm的 p型矽片裝入MOCVD室生長得到。

圖3. （a）ITO和AlGaN/GaN異質結的能帶圖，在AlGaN/GaN異質結的界面處，ITO和二維電子氣（2DEG）之間存在著較高的能級。（b）為了形成良好的歐姆接觸，需要降低靠近ITO的AlGaN/GaN材料的導帶，將能量勢壘最小化。

圖4. 氨活化退火可大大抑制高溫（1200°C，2分鐘）對表面的損傷。

圖5. 在Algan/GaN異質結構中，ITO和矽注入區之間形成了良好的歐姆接觸。

圖6. 測得的直流性能，包括（a）帶有ITO源/漏（S/D）和柵電極的GaN電晶體的輸出（b）特性。