基于自支撐GaN襯底上垂直結(jié)構(gòu)AlGaN-GaN CAVET MOCVD外延生長(zhǎng)及器件性能研究.pdf

1、近年來(lái)，Ⅲ-Ⅴ族GaN材料及AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)由于臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)高、熱傳導(dǎo)性好、電子飽和遷移率快和電子面密度高等優(yōu)點(diǎn)在高頻、高壓和大功率器件的應(yīng)用使其得到國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注。然而，水平結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN HEMT目前面臨著電流崩塌、增強(qiáng)型、封裝兼容性、可靠性以及高耐壓等問(wèn)題阻礙其應(yīng)用和進(jìn)一步發(fā)展。垂直結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN CAVET(Current Aperture Vertical Electron Transistor)結(jié)合了

2、水平結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN HEMT高濃度二維電子氣和垂直結(jié)構(gòu)GaN基MOSFET高擊穿電壓等優(yōu)勢(shì)開(kāi)始獲得關(guān)注。器件工作時(shí)電流從源極沿著二維電子氣溝道到達(dá)柵極，利用高阻GaN或p-GaN作為電流阻擋層使電子只能通過(guò)高電導(dǎo)率的導(dǎo)通通孔到達(dá)GaN襯底上漏電極，控制柵極電壓釋放和耗盡溝道中的電子，實(shí)現(xiàn)器件的開(kāi)啟與關(guān)斷?；贏l離子注入形成高阻GaN、Mg摻雜或者M(jìn)g離子注入形成p-GaN作為電流阻擋層的垂直結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN CAVET在

3、調(diào)節(jié)導(dǎo)通通孔電導(dǎo)率、抑制二次外延生長(zhǎng)界面污染、修復(fù)離子注入導(dǎo)致晶格損傷、消除Mg記憶效應(yīng)、解決N面GaN歐姆接觸和DC-RF電流崩塌等問(wèn)題上進(jìn)行深入研究。本論文從軟件Silvaco Altas和TRIM模擬、MOCVD外延生長(zhǎng)和器件工藝制作以及電學(xué)性能表征等對(duì)存在的問(wèn)題展開(kāi)討論，研究?jī)?nèi)容如下：
　　1.提出了MOCVD外延GaN成核層時(shí)載氣由H2切換為N2引入刃位錯(cuò)，結(jié)合外延GaN漂移區(qū)時(shí)降低生長(zhǎng)溫度和V/III比引入非故意C摻雜

4、降低背景載流子濃度，獲得方塊電阻RSH為106Ω/□的高阻GaN。進(jìn)而優(yōu)化勢(shì)壘層AlGaN的Al組分和厚度、AlN插入層和GaN蓋帽層外延AlGaN/GaN HEMT全結(jié)構(gòu)，Hall測(cè)試結(jié)果為：方塊電阻RSH=332.9Ω/□，遷移率?=1920cm2/V?s，載流子濃度N s為9.7×1012cm-2。器件飽和電流I DS為478.9mA/mm，跨導(dǎo)Gm為60mS/mm，器件開(kāi)關(guān)比IOn IOf為0.96×108，耐壓VBR為600V

5、@0.01mA/mm，完成垂直結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN CAVET溝道處的優(yōu)化。
　　2.系統(tǒng)研究了二次外延生長(zhǎng)存在的界面污染的問(wèn)題，C-V測(cè)試表明了MOCVD外延生長(zhǎng)前900s高溫1180℃退火使二次外延生長(zhǎng)界面背景載流子濃度降低一個(gè)數(shù)量級(jí)，從而減小C、O和Si等雜質(zhì)濃度。此外，我們還對(duì)比了HVPE GaN自支撐襯底和Sapphire/GaN模板上二次外延生長(zhǎng)AlGaN/GaN HEMT晶體質(zhì)量、直流電學(xué)特性和電流崩塌特性。

6、>　　3.研究發(fā)現(xiàn)AlGaN/GaN HEMT閾值電壓VTH會(huì)隨著柵電極鈍化層LPCVD SiNx厚度呈VTH=-0.25x-2.93線性遞減，根據(jù)閾值電壓變化提取SiNx/AlGaN界面處缺陷態(tài)密度為SiNx AlGaNQ=2.87?1013cm-2，通過(guò)變頻1kHz-1MHz的C-V電導(dǎo)法提取AlGaN/GaN界面處缺陷能級(jí)C TE?E、缺陷態(tài)密度Dit以及時(shí)間常數(shù)?it，解釋了隨著鈍化層厚度增加電流崩塌減弱的原因。研究Si離子注入

7、及退火溫度對(duì)減小歐姆接觸電阻的影響，采用Si離子注入的能量和劑量為80keV(1×1015cm-2)+30keV(1.6×1014cm-2)，經(jīng)過(guò)5min高溫1200℃退火激活Si可以將接觸電阻率Rc降低到0.5Ω?mm。
　　4.通過(guò)水平結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN HEMT器件制作C-V測(cè)試表明Al離子注入形成高阻GaN相當(dāng)于Al0.058Ga0.942N背勢(shì)壘層，并且SIMS測(cè)試表征Al離子注入在高溫二次外延生長(zhǎng)過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生擴(kuò)散

8、。進(jìn)而成功制備了Al離子注入GaN作為CBL垂直結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN CAVET，器件的飽和電流I DS=107A/cm2，跨導(dǎo)Gm=2mS/mm，導(dǎo)通電阻ROn-A=49.1mΩ?cm2。通過(guò)減薄、研磨和拋光低摻雜電阻率為R>0.5Ω?mm自支撐GaN襯底取代原來(lái)的高摻雜電阻率為R<0.05Ω?mm襯底提高垂直結(jié)構(gòu)器件的耐壓特性。
　　5.通過(guò)Hall和SIMS測(cè)試表明阻擋層LT-GaN相對(duì)于AlN能更好抑制Mg在MOCVD外

9、延過(guò)程中記憶效應(yīng)。成功制備了p-GaN帶有LT-GaN阻擋層作為電流阻擋層的垂直結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN CAVET，器件飽和電流I DS=769mA/mm，跨導(dǎo)Gm=35.1mS/mm，開(kāi)關(guān)比IOn IOf=2.5×107。CAVET器件輸出特性的膝點(diǎn)電壓偏高歸結(jié)于Mg在MOCVD外延生長(zhǎng)的橫向擴(kuò)散導(dǎo)致導(dǎo)通通孔電導(dǎo)率下降。
　　6.成功制備了Mg離子注入形成p-GaN作為電流阻擋層垂直結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN CAVET，器件件飽和