新型氮化物InAlN半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)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(chǎng)強(qiáng)、高的電子飽和漂移速度、以及強(qiáng)的自發(fā)和壓電極化效應(yīng)產(chǎn)生的具有優(yōu)越輸運(yùn)特性的二維電子氣（2DEG）等出色的材料性能，非常適合應(yīng)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(jìn)展。為了滿足對(duì)器件性能日益增長(zhǎng)的需求，人們?cè)诓牧贤庋蛹夹g(shù)、新材料應(yīng)用、器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(yù)測(cè)極限。其中，晶格

2、匹配無應(yīng)變 InAlN/GaN異質(zhì)結(jié)材料與 HEMT器件成為目前寬禁帶氮化物半導(dǎo)體和微電子領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和前沿。和常規(guī) AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)相比， InAlN/GaN異質(zhì)結(jié)勢(shì)壘層中不存在應(yīng)變弛豫和逆壓電效應(yīng)，這減輕了勢(shì)壘層內(nèi)在應(yīng)變產(chǎn)生的缺陷對(duì)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(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)的可靠性。同時(shí)，InAlN勢(shì)壘層有更強(qiáng)的自發(fā)極化效應(yīng)，即使沒有壓電極化效應(yīng)，晶格匹配 InAlN/GaN異質(zhì)結(jié)也能以較薄

3、的勢(shì)壘層產(chǎn)生高密度的2DEG，可以提高 HEMT器件的電流驅(qū)動(dòng)能力和輸出功率密度。薄的勢(shì)壘層能有效抑制 HEMT器件尺寸縮小引起的短溝道效應(yīng)，避免槽柵干法刻蝕工藝對(duì)2DEG溝道造成的損傷，降低 HEMT器件制備工藝的復(fù)雜性和難度，進(jìn)而提高工藝的一致性和重復(fù)性。此外，晶格匹配 InAlN/GaN HEMT有極高的化學(xué)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(zhì)量 InAlN及其異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的外延生長(zhǎng)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(shì)的體現(xiàn)和廣泛應(yīng)用。國(guó)內(nèi)針對(duì) InAlN/GaN異質(zhì)結(jié)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(diǎn)圍繞 InAlN半導(dǎo)體異質(zhì)構(gòu)材料的外延生長(zhǎng)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、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(shù)，實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量 GaN基板材料的生長(zhǎng)。研究發(fā)現(xiàn)，高溫 AlN阻擋層提高 GaN

5、基板結(jié)晶質(zhì)量的能力有限，但會(huì)在頂層 GaN中引入額外的壓應(yīng)變，該壓應(yīng)變有助于提高 GaN基異質(zhì)結(jié)的輸運(yùn)特性。而先高后低的階變 V/III比技術(shù)能明顯提高 GaN基板材料的質(zhì)量，用此技術(shù)生長(zhǎng)了表面光滑、低位錯(cuò)密度和低背景載流子濃度的高質(zhì)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(shù)從 GaN基板自身生長(zhǎng)角度出發(fā)來提高結(jié)晶質(zhì)

6、量，而沒有引入其他外來結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化了GaN基板材料的生長(zhǎng)程序，為高質(zhì)量 InAlN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料生長(zhǎng)打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
　　2.提出了一種脈沖式金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積（PMOCVD）材料生長(zhǎng)技術(shù)，成功地在 c面藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)了高質(zhì)量近晶格匹配 InAlN/AlN/GaN異質(zhì)結(jié)材料。分別對(duì)外延壓強(qiáng)、TMIn脈沖寬度和外延溫度等參數(shù)進(jìn)行了生長(zhǎng)優(yōu)化，研究了其對(duì)InAlN/AlN/GaN異質(zhì)結(jié)性能的影響，獲得了近晶格匹配 In0.17Al0

7、.83N材料的最佳生長(zhǎng)參數(shù)和條件，并實(shí)現(xiàn)了對(duì) InAlN合金材料組分和厚度的有效控制和設(shè)計(jì)。生長(zhǎng)的InAlN/AlN/GaN異質(zhì)結(jié)表面光滑，表現(xiàn)出明顯的原子臺(tái)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(shí)遷移率高達(dá)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(shù)相比，PMOCVD技術(shù)表現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景，從生長(zhǎng)方法上給氮化物材料外延提供了借鑒。同時(shí)解釋了PMOCVD技術(shù)提高 InAlN及其異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料質(zhì)量的生長(zhǎng)機(jī)制。
　　3.研究了AlN界面插入層厚度對(duì) InAlN/AlN/GaN異質(zhì)結(jié)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(zhì)結(jié)輸運(yùn)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(zhì)結(jié)的導(dǎo)帶斷續(xù)并改善界面質(zhì)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(zhì)結(jié)，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(shí)，AlN界面插入層厚度為1.2 nm時(shí)，InAlN/AlN/GaN表現(xiàn)出最好的表面形貌

10、。從散射機(jī)制和能帶結(jié)構(gòu)方面，分析和討論了AlN插入層對(duì) InAlN/AlN/GaN異質(zhì)結(jié)2DEG輸運(yùn)特性的影響機(jī)制。
　　4.成功把 InAlN/AlN/GaN異質(zhì)結(jié)的PMOCVD生長(zhǎng)技術(shù)從藍(lán)寶石襯底移植到半絕緣 SiC襯底上，自主研制出國(guó)內(nèi)首個(gè)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(zhì)結(jié)

11、材料上，柵長(zhǎng)（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(dǎo)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(dá)到14.4 GHz·μm。研究發(fā)現(xiàn)，藍(lán)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(jìn)一步降低藍(lán)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(shù)生長(zhǎng)了3 nm Al2O3絕緣柵介質(zhì)，自主研制了InAlN/AlN/GaN MOS-HEMT器件。
　　5.提出了一種低溫氮?dú)夂透邷貧錃庀嘟Y(jié)合的GaN溝道生長(zhǎng)技術(shù)，用 PMOCVD技術(shù)成功生長(zhǎng)了首個(gè)高質(zhì)量近晶格匹配 InAlN/GaN/InAlN/GaN雙溝道異質(zhì)結(jié)材料。該技術(shù)避免了后續(xù)高溫 GaN溝道生長(zhǎng)時(shí)底層 InAlN勢(shì)壘層的晶相分離和表面形貌退化，并給頂層2DEG提供了高質(zhì)量溝道。研究了

13、頂層 GaN溝道厚度對(duì)雙溝道異質(zhì)結(jié)材料輸運(yùn)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(zhǎng)的InAlN/GaN/InAlN/GaN異質(zhì)結(jié)未發(fā)生應(yīng)變弛豫和相分離，表面 rms粗糙為0.2 nm，InAlN勢(shì)壘層中不存在寄生導(dǎo)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(zhì)結(jié)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(dá)172?/□的方塊電阻在 InAlN基氮化物異質(zhì)結(jié)材料中創(chuàng)立了最高指標(biāo)，此項(xiàng)成果被《應(yīng)用物理快報(bào)》選為研究亮點(diǎn)。
　　6.自主研制出 InAlN/GaN/InAlN/GaN雙溝道 HEMT器件，并對(duì)其性能進(jìn)行了深入測(cè)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(dǎo)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(dá)到8 GHz·μm。該器件在直流輸出和交流小信號(hào)特性方面均表現(xiàn)出明顯的雙溝道特性，在器件級(jí)水平上驗(yàn)證了雙溝道異質(zhì)結(jié)外延技術(shù)的成功實(shí)踐。同時(shí)，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(shí)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(shí)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(shù)成功生長(zhǎng)了高質(zhì)量超薄勢(shì)壘

16、AlN/GaN異質(zhì)結(jié)材料，并實(shí)現(xiàn)了AlN/GaN HEMT器件。研究了AlN勢(shì)壘層生長(zhǎng)溫度和厚度對(duì) AlN/GaN異質(zhì)結(jié)輸運(yùn)特性的影響，在830 oC生長(zhǎng)的勢(shì)壘層厚度為4 nm的AlN/GaN異質(zhì)結(jié)，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(bào)道的用常規(guī) MOCVD技術(shù)外延的結(jié)果相比，我們?cè)谳^低的生長(zhǎng)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(dǎo)分別為305 mA/mm和95 mS/mm。
　　8.用 PMOCVD技術(shù)生長(zhǎng)了近晶格匹配高 Al組分 AlGaN溝道 InAlN/AlGaN異質(zhì)結(jié)材料。通過 AlGaN/AlN超晶格結(jié)構(gòu)來過濾位錯(cuò)和釋放應(yīng)力，顯著提高了高Al組分 AlGaN溝道材料的結(jié)晶質(zhì)量。通過調(diào)節(jié) TMIn脈沖的流量和寬度，生長(zhǎng)了不同組分的近晶格匹配 InxAl1-xN/AlyGa1-yN

18、異質(zhì)結(jié)，其2DEG方塊電阻低于已報(bào)道的常規(guī) AlxGa1-xN/AlyGa1-yN異質(zhì)結(jié)材料的。此結(jié)構(gòu)把晶格匹配的概念推向更高 Al組分，為 InAlN及其異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料在高壓電力電子器件中的潛在應(yīng)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(duì)新型氮化物 InAlN半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)和 HEMT器件做了研究。通過材料生長(zhǎng)技術(shù)的創(chuàng)新和新型器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，解決了從材料外延到器件制備等領(lǐng)域內(nèi)的基本技術(shù)問題，填補(bǔ)