新型氮化物InAlN半导体异质结构与HEMT器件研究

【摘要】GaN基高电子迁移率晶体管（HEMT）具有大的禁带宽度、高的临界击穿场强、高的电子饱和漂移速度、以及强的自发和压电极化效应产生的具有优越输运特性的二维电子气（2DEG）等出色的材料性能，非常适合应用于高温、高压、高频大功率电子器件，在过去二十年中得到了广泛而深入的研究并取得了重大进展。为了满足对器件性能日益增长的需求，人们在材料外延技术、新材料应用、器件结构设计和器件制备工艺等方面作了大量努力，以期使器件性能接近理论预测极限。其中，晶格匹配无应变InAlN/GaN异质结材料与HEMT器件成为目前宽禁带氮化物半导体和微电子领域的研究热点和前沿。和常规AlGaN/GaN异质结相比，InAlN/GaN异质结势垒层中不存在应变弛豫和逆压电效应，这减轻了势垒层内在应变产生的缺陷对2DEG迁移率和面密度的影响，提高了HEMT器件在高温和高压下长时间工作时的可靠性。同时，InAlN势垒层有更强的自发极化效应，即使没有压电极化效应，晶格匹配InAlN/GaN异质结也能以较薄的势垒层产生高密度的2DEG，可以提高HEMT器件的电流驱动能力和输出功率密度。薄的势垒层能有效抑制HEMT器件尺寸缩小引起的短沟道效应，避免槽栅干法刻蚀工艺对2DEG沟道造成的损伤，降低HEMT器件制备工艺的复杂性和难度，进而提高工艺的一致性和重复性。此外，晶格匹配InAlN/GaNHEMT有极高的化学和热稳定性，可以在1000oC的高温环境下工作而没有明显的性能退化。然而，高质量InAlN及其异质结构材料的外延生长极其困难，常出现晶相分离和组分分布不均等现象，一直阻碍其优势的体现和广泛应用。国内针对InAlN/GaN异质结材料和HEMT器件的研究还很不成熟，尚处于起步阶段。本文即在此背景下，重点围绕InAlN半导体异质构材料的外延生长和结构设计、HEMT器件制备和性能分析等方面展开工作，取得的主要研究成果如下：1.提出了一种先高后低的阶变V/III比技术，实现了高质量GaN基板材料的生长。研究发现，高温AlN阻挡层提高GaN基板结晶质量的能力有限，但会在顶层GaN中引入额外的压应变，该压应变有助于提高GaN基异质结的输运特性。而先高后低的阶变V/III比技术能明显提高GaN基板材料的质量，用此技术生长了表面光滑、低位错密度和低背景载流子浓度的高质量GaN基板，其（002）面和（102）面高分辨率X射线衍射（HRXRD）摇摆曲线半高宽（FWHM）分别降低到70arcsec和348arcsec。这种技术从GaN基板自身生长角度出发来提高结晶质量，而没有引入其他外来结构，简化了GaN基板材料的生长程序，为高质量InAlN基异质结构材料生长打下了坚实基础。2.提出了一种脉冲式金属有机物化学气相淀积（PMOCVD）材料生长技术，成功地在c面蓝宝石衬底上生长了高质量近晶格匹配InAlN/AlN/GaN异质结材料。分别对外延压强、TMIn脉冲宽度和外延温度等参数进行了生长优化，研究了其对InAlN/AlN/GaN异质结性能的影响，获得了近晶格匹配In0.17Al0.83N材料的最佳生长参数和条件，并实现了对InAlN合金材料组分和厚度的有效控制和设计。生长的InAlN/AlN/GaN异质结表面光滑，表现出明显的原子台阶流，无铟滴析出和晶相分离，表面均方根粗糙为0.3nm，室温下2DEG迁移率和面密度分别为1402cm2/Vs和2.01×1013cm-2，在低温77K时迁移率高达5348cm2/Vs，2寸晶圆片上2DEG方块电阻均值为234/□，不均匀性为1.22%。和常规连续式MOCVD技术相比，PMOCVD技术表现出了明显的优势和应用前景，从生长方法上给氮化物材料外延提供了借鉴。同时解释了PMOCVD技术提高InAlN及其异质结构材料质量的生长机制。3.研究了AlN界面插入层厚度对InAlN/AlN/GaN异质结性能的影响，获得了1.2nm的最优厚度。研究发现，AlN界面插入层厚度影响InAlN/AlN/GaN异质结输运特性和表面形貌。超薄AlN界面插入层的引入，能有效增加InAlN/AlN/GaN异质结的导带断续并改善界面质量，降低界面粗糙度和合金无序散射，提高2DEG迁移率和面密度。无AlN插入层的InAlN/GaN异质结，2DEG迁移率在室温和低温77K下分别为949cm2/Vs和2032cm2/Vs，而引入1.2nm的AlN界面插入层后，2DEG迁移率分别提高到1425cm2/Vs和5308cm2/Vs。同时，AlN界面插入层厚度为1.2nm时，InAlN/AlN/GaN表现出最好的表面形貌。从散射机制和能带结构方面，分析和讨论了AlN插入层对InAlN/AlN/GaN异质结2DEG输运特性的影响机制。4.成功把InAlN/AlN/GaN异质结的PMOCVD生长技术从蓝宝石衬底移植到半绝缘SiC衬底上，自主研制出国内首个基于SiC衬底的高性能InAlN/AlN/GaNHEMT器件。制备在2DEG迁移率和面密度分别为1032cm2/Vs和1.59×1013cm-2的InAlN/AlN/GaN异质结材料上，栅长（LG）和栅宽（WG）分别为0.8μm和2×50μm的HEMT器件，其漏极最大输出电流密度和最大跨导分别为1A/mm和310mS/mm，特征频率（fT）和最大振荡频率（fMAX）分别为18GHz和39GHz，其fT×LG达到14.4GHz·μm。研究发现，蓝宝石衬底上InAlN/AlN/GaNHEMT器件的栅极反向漏电大于SiC衬底上的，为了进一步降低蓝宝石衬底上InAlN/AlN/GaNHEMT器件的栅极反向泄漏电流，采用原子层淀积技术生长了3nmAl2O3绝缘栅介质，自主研制了InAlN/AlN/GaNMOS-HEMT器件。5.提出了一种低温氮气和高温氢气相结合的GaN沟道生长技术，用PMOCVD技术成功生长了首个高质量近晶格匹配InAlN/GaN/InAlN/GaN双沟道异质结材料。该技术避免了后续高温GaN沟道生长时底层InAlN势垒层的晶相分离和表面形貌退化，并给顶层2DEG提供了高质量沟道。研究了顶层GaN沟道厚度对双沟道异质结材料输运特性的影响，获得了顶层GaN沟道的最佳厚度为20nm。在此厚度下，生长的InAlN/GaN/InAlN/GaN异质结未发生应变弛豫和相分离，表面rms粗糙为0.2nm，InAlN势垒层中不存在寄生导电沟道。室温下2DEG迁移率和面密度分别为1414cm2/Vs和2.55×1013cm-2，解决了单沟道异质结中常以牺牲2DEG面密度来提高迁移率的矛盾，并明显提高了2DEG的高温迁移率。低达172/□的方块电阻在InAlN基氮化物异质结材料中创立了最高指标，此项成果被《应用物理快报》选为研究亮点。6.自主研制出InAlN/GaN/InAlN/GaN双沟道HEMT器件，并对其性能进行了深入测试和分析。制备的LG为0.8μm、WG为2×50μm的双沟道HEMT器件，漏极最大输出电流密度和最大跨导分别为1059mA/mm和223mS/mm，fT和fMAX分别为10GHz和21GHz，其fT×LG达到8GHz·μm。该器件在直流输出和交流小信号特性方面均表现出明显的双沟道特性，在器件级水平上验证了双沟道异质结外延技术的成功实践。同时，该HEMT器件栅漏肖特基二极管表现出极低的反向漏电，栅漏电压（VGD）为-10和-20V时的反向泄漏电流密度分别为1和40μA/mm。器件三端击穿电压为16V，实际破坏性击穿电压为26V。7.在高温气氛中铟元素表面活化剂作用下，用PMOCVD技术成功生长了高质量超薄势垒AlN/GaN异质结材料，并实现了AlN/GaNHEMT器件。研究了AlN势垒层生长温度和厚度对AlN/GaN异质结输运特性的影响，在830oC生长的势垒层厚度为4nm的AlN/GaN异质结，室温下2DEG迁移率和面密度分别为1398cm2/Vs和1.3×1013cm-2。和已报道的用常规MOCVD技术外延的结果相比，我们在较低的生长温度下获得了低的2DEG方块电阻（344/□）。制备的LG和WG分别为0.6μm和2×50μm的AlN/GaNHEMT器件，漏极最大输出电流密度和最大跨导分别为305mA/mm和95mS/mm。8.用PMOCVD技术生长了近晶格匹配高Al组分AlGaN沟道InAlN/AlGaN异质结材料。通过AlGaN/AlN超晶格结构来过滤位错和释放应力，显著提高了高Al组分AlGaN沟道材料的结晶质量。通过调节TMIn脉冲的流量和宽度，生长了不同组分的近晶格匹配InxAl1-xN/AlyGa1-yN异质结，其2DEG方块电阻低于已报道的常规AlxGa1-xN/AlyGa1-yN异质结材料的。此结构把晶格匹配的概念推向更高Al组分，为InAlN及其异质结构材料在高压电力电子器件中的潜在应用做了初步探索。综上所述，本文充分利用InAlN合金材料的优越性能，对新型氮化物InAlN半导体异质结构和HEMT器件做了研究。通过材料生长技术的创新和新型器件结构的设计，解决了从材料外延到器件制备等领域内的基本技术问题，填补了国内研究的空白，拓展了宽禁带氮化物材料与器件的研究领域，为后续InAlN基材料和器件的发展铺平了道路和奠定了重要基础。
【作者】薛军帅；
【导师】郝跃；
【作者基本信息】西安电子科技大学，微电子学与固体电子学，2013，博士
【关键词】脉冲式金属有机物化学气相淀积；晶格匹配；InAlN/GaN异质结无应变；高电子迁移率晶体管；双沟道；超薄AlN势垒层；AlGaN沟道；

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