新型氮化物InAlN半導體異質結構與HEMT器件研究.pdf

1、GaN基高電子遷移率晶體管（HEMT）具有大的禁帶寬度、高的臨界擊穿場強、高的電子飽和漂移速度、以及強的自發(fā)和壓電極化效應產生的具有優(yōu)越輸運特性的二維電子氣（2DEG）等出色的材料性能，非常適合應用于高溫、高壓、高頻大功率電子器件，在過去二十年中得到了廣泛而深入的研究并取得了重大進展。為了滿足對器件性能日益增長的需求，人們在材料外延技術、新材料應用、器件結構設計和器件制備工藝等方面作了大量努力，以期使器件性能接近理論預測極限。其中，晶格

2、匹配無應變 InAlN/GaN異質結材料與 HEMT器件成為目前寬禁帶氮化物半導體和微電子領域的研究熱點和前沿。和常規(guī) AlGaN/GaN異質結相比， InAlN/GaN異質結勢壘層中不存在應變弛豫和逆壓電效應，這減輕了勢壘層內在應變產生的缺陷對2DEG遷移率和面密度的影響，提高了HEMT器件在高溫和高壓下長時間工作時的可靠性。同時，InAlN勢壘層有更強的自發(fā)極化效應，即使沒有壓電極化效應，晶格匹配 InAlN/GaN異質結也能以較薄

3、的勢壘層產生高密度的2DEG，可以提高 HEMT器件的電流驅動能力和輸出功率密度。薄的勢壘層能有效抑制 HEMT器件尺寸縮小引起的短溝道效應，避免槽柵干法刻蝕工藝對2DEG溝道造成的損傷，降低 HEMT器件制備工藝的復雜性和難度，進而提高工藝的一致性和重復性。此外，晶格匹配 InAlN/GaN HEMT有極高的化學和熱穩(wěn)定性，可以在1000 oC的高溫環(huán)境下工作而沒有明顯的性能退化。然而，高質量 InAlN及其異質結構材料的外延生長極其

4、困難，常出現(xiàn)晶相分離和組分分布不均等現(xiàn)象，一直阻礙其優(yōu)勢的體現(xiàn)和廣泛應用。國內針對 InAlN/GaN異質結材料和 HEMT器件的研究還很不成熟，尚處于起步階段。本文即在此背景下，重點圍繞 InAlN半導體異質構材料的外延生長和結構設計、HEMT器件制備和性能分析等方面展開工作，取得的主要研究成果如下：
　　1.提出了一種先高后低的階變 V/III比技術，實現(xiàn)了高質量 GaN基板材料的生長。研究發(fā)現(xiàn)，高溫 AlN阻擋層提高 GaN

5、基板結晶質量的能力有限，但會在頂層 GaN中引入額外的壓應變，該壓應變有助于提高 GaN基異質結的輸運特性。而先高后低的階變 V/III比技術能明顯提高 GaN基板材料的質量，用此技術生長了表面光滑、低位錯密度和低背景載流子濃度的高質量 GaN基板，其（002）面和（102）面高分辨率 X射線衍射（HRXRD）搖擺曲線半高寬（FWHM）分別降低到70 arcsec和348 arcsec。這種技術從 GaN基板自身生長角度出發(fā)來提高結晶質

6、量，而沒有引入其他外來結構，簡化了GaN基板材料的生長程序，為高質量 InAlN基異質結構材料生長打下了堅實基礎。
　　2.提出了一種脈沖式金屬有機物化學氣相淀積（PMOCVD）材料生長技術，成功地在 c面藍寶石襯底上生長了高質量近晶格匹配 InAlN/AlN/GaN異質結材料。分別對外延壓強、TMIn脈沖寬度和外延溫度等參數(shù)進行了生長優(yōu)化，研究了其對InAlN/AlN/GaN異質結性能的影響，獲得了近晶格匹配 In0.17Al0

7、.83N材料的最佳生長參數(shù)和條件，并實現(xiàn)了對 InAlN合金材料組分和厚度的有效控制和設計。生長的InAlN/AlN/GaN異質結表面光滑，表現(xiàn)出明顯的原子臺階流，無銦滴析出和晶相分離，表面均方根粗糙為0.3 nm，室溫下2DEG遷移率和面密度分別為1402 cm2/V s和2.01×1013 cm-2，在低溫77 K時遷移率高達5348 cm2/Vs，2寸晶圓片上2DEG方塊電阻均值為234?/□，不均勻性為1.22％。和常規(guī)連續(xù)式

8、MOCVD技術相比，PMOCVD技術表現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢和應用前景，從生長方法上給氮化物材料外延提供了借鑒。同時解釋了PMOCVD技術提高 InAlN及其異質結構材料質量的生長機制。
　　3.研究了AlN界面插入層厚度對 InAlN/AlN/GaN異質結性能的影響，獲得了1.2 nm的最優(yōu)厚度。研究發(fā)現(xiàn)，AlN界面插入層厚度影響 InAlN/AlN/GaN異質結輸運特性和表面形貌。超薄 AlN界面插入層的引入，能有效增加 InAlN

9、/AlN/GaN異質結的導帶斷續(xù)并改善界面質量，降低界面粗糙度和合金無序散射，提高2DEG遷移率和面密度。無 AlN插入層的InAlN/GaN異質結，2DEG遷移率在室溫和低溫77 K下分別為949 cm2/Vs和2032 cm2/Vs，而引入1.2 nm的AlN界面插入層后，2DEG遷移率分別提高到1425 cm2/Vs和5308 cm2/Vs。同時，AlN界面插入層厚度為1.2 nm時，InAlN/AlN/GaN表現(xiàn)出最好的表面形貌

10、。從散射機制和能帶結構方面，分析和討論了AlN插入層對 InAlN/AlN/GaN異質結2DEG輸運特性的影響機制。
　　4.成功把 InAlN/AlN/GaN異質結的PMOCVD生長技術從藍寶石襯底移植到半絕緣 SiC襯底上，自主研制出國內首個基于 SiC襯底的高性能 InAlN/AlN/GaN HEMT器件。制備在2DEG遷移率和面密度分別為1032 cm2/Vs和1.59×1013 cm-2的InAlN/AlN/GaN異質結

11、材料上，柵長（LG）和柵寬（WG）分別為0.8μm和2×50μm的HEMT器件，其漏極最大輸出電流密度和最大跨導分別為1 A/mm和310 mS/mm，特征頻率（fT）和最大振蕩頻率（fMAX）分別為18 GHz和39 GHz，其 fT×LG達到14.4 GHz·μm。研究發(fā)現(xiàn)，藍寶石襯底上 InAlN/AlN/GaN HEMT器件的柵極反向漏電大于 SiC襯底上的，為了進一步降低藍寶石襯底上 InAlN/AlN/GaN HEMT器件的

12、柵極反向泄漏電流，采用原子層淀積技術生長了3 nm Al2O3絕緣柵介質，自主研制了InAlN/AlN/GaN MOS-HEMT器件。
　　5.提出了一種低溫氮氣和高溫氫氣相結合的GaN溝道生長技術，用 PMOCVD技術成功生長了首個高質量近晶格匹配 InAlN/GaN/InAlN/GaN雙溝道異質結材料。該技術避免了后續(xù)高溫 GaN溝道生長時底層 InAlN勢壘層的晶相分離和表面形貌退化，并給頂層2DEG提供了高質量溝道。研究了

13、頂層 GaN溝道厚度對雙溝道異質結材料輸運特性的影響，獲得了頂層 GaN溝道的最佳厚度為20 nm。在此厚度下，生長的InAlN/GaN/InAlN/GaN異質結未發(fā)生應變弛豫和相分離，表面 rms粗糙為0.2 nm，InAlN勢壘層中不存在寄生導電溝道。室溫下2DEG遷移率和面密度分別為1414 cm2/Vs和2.55×1013 cm-2，解決了單溝道異質結中常以犧牲2DEG面密度來提高遷移率的矛盾，并明顯提高了2DEG的高溫遷移率。

14、低達172?/□的方塊電阻在 InAlN基氮化物異質結材料中創(chuàng)立了最高指標，此項成果被《應用物理快報》選為研究亮點。
　　6.自主研制出 InAlN/GaN/InAlN/GaN雙溝道 HEMT器件，并對其性能進行了深入測試和分析。制備的LG為0.8μm、WG為2×50μm的雙溝道 HEMT器件，漏極最大輸出電流密度和最大跨導分別為1059 mA/mm和223 mS/mm，fT和 fMAX分別為10 GHz和21 GHz，其 fT×

15、LG達到8 GHz·μm。該器件在直流輸出和交流小信號特性方面均表現(xiàn)出明顯的雙溝道特性，在器件級水平上驗證了雙溝道異質結外延技術的成功實踐。同時，該 HEMT器件柵漏肖特基二極管表現(xiàn)出極低的反向漏電，柵漏電壓（VGD）為-10和-20 V時的反向泄漏電流密度分別為1和40μA/mm。器件三端擊穿電壓為16 V，實際破壞性擊穿電壓為26 V。
　　7.在高溫氣氛中銦元素表面活化劑作用下，用 PMOCVD技術成功生長了高質量超薄勢壘

16、AlN/GaN異質結材料，并實現(xiàn)了AlN/GaN HEMT器件。研究了AlN勢壘層生長溫度和厚度對 AlN/GaN異質結輸運特性的影響，在830 oC生長的勢壘層厚度為4 nm的AlN/GaN異質結，室溫下2DEG遷移率和面密度分別為1398 cm2/Vs和1.3×1013 cm-2。和已報道的用常規(guī) MOCVD技術外延的結果相比，我們在較低的生長溫度下獲得了低的2DEG方塊電阻（344?/□）。制備的LG和 WG分別為0.6μm和2×

17、50μm的AlN/GaN HEMT器件，漏極最大輸出電流密度和最大跨導分別為305 mA/mm和95 mS/mm。
　　8.用 PMOCVD技術生長了近晶格匹配高 Al組分 AlGaN溝道 InAlN/AlGaN異質結材料。通過 AlGaN/AlN超晶格結構來過濾位錯和釋放應力，顯著提高了高Al組分 AlGaN溝道材料的結晶質量。通過調節(jié) TMIn脈沖的流量和寬度，生長了不同組分的近晶格匹配 InxAl1-xN/AlyGa1-yN

18、異質結，其2DEG方塊電阻低于已報道的常規(guī) AlxGa1-xN/AlyGa1-yN異質結材料的。此結構把晶格匹配的概念推向更高 Al組分，為 InAlN及其異質結構材料在高壓電力電子器件中的潛在應用做了初步探索。
　　綜上所述，本文充分利用 InAlN合金材料的優(yōu)越性能，對新型氮化物 InAlN半導體異質結構和 HEMT器件做了研究。通過材料生長技術的創(chuàng)新和新型器件結構的設計，解決了從材料外延到器件制備等領域內的基本技術問題，填補