AlGaN溝道異質結材料生長優(yōu)化與高壓HEMT器件研究.pdf

1、由于GaN材料具有禁帶寬度寬、電子飽和速度高、極化強度高、擊穿場強高等優(yōu)點,因此GaN基高電子遷移率晶體管(HEMT)在高頻、高壓、高功率等電子器件方面有顯著的應用優(yōu)勢。近二十年來,常規(guī)AlGaN/GaN異質結構材料生長與器件工藝逐漸成熟,在微波功率器件和功率開關器件等方面已經(jīng)得到了快速的發(fā)展與逐步的應用。對于整個III族氮化物半導體來說,AlN具有近四倍于GaN的擊穿場強,AlN與GaN構成的三元合金材料AlGaN,隨著Al組分增加,

2、其擊穿場強會從GaN的3MV/cm增加到AlN的12MV/cm,因此AlGaN作為溝道層在高壓、大功率器件方面具有比GaN更大的發(fā)展?jié)摿?。近幾年?采用AlGaN替代GaN作為HEMT器件的溝道層,已經(jīng)報道可以顯著提高器件的擊穿電壓和高溫穩(wěn)定性,因此AlGaN溝道異質結構材料與高壓HEMT器件越來越受到人們的關注。AlGaN溝道HEMT器件存在的關鍵難題之一是高質量的AlGaN外延材料生長比較困難,特別是Al組分越高,AlGaN材料的生

3、長難度越大,因而目前國內外關于AlGaN溝道外延材料和 HEMT器件的報道還比較少,而且材料與器件性能不高。為了提高高Al組分AlGaN外延材料的質量,近年來國外的一些研究人員已有采用AlN襯底上外延生長AlGaN溝道異質結材料,的確顯著提升了AlGaN溝道異質結材料的電學特性和結晶質量,但是AlN襯底本身極難獲得,目前尺寸小,價格高,因此也限制了這一方法的應用。
　　本文則是在此背景下,基于應用最廣、價格低廉的藍寶石襯底,從理論

4、和實驗兩方面深入開展了高Al組分AlGaN溝道異質結材料的生長工藝優(yōu)化、結構優(yōu)化以及高壓HEMT器件制備的研究。主要研究工作如下:
　　1.在GaN/藍寶石基板上,通過改進和優(yōu)化緩變AlGaN緩沖層的生長方法,AlGaN溝道異質結材料結晶質量和性能得到了顯著的提升。研究發(fā)現(xiàn),緩變緩沖層方法對于AlGaN溝道異質結材料特性的提高是非常有效的,不但提高了材料的結晶質量,還提高了材料的遷移率,降低了方塊電阻。只是當溝道Al組分過高時,A

5、lGaN緩沖層中會出現(xiàn)一定程度的載流子寄生溝道。
　　2.采用 SiC襯底,直接生長出高性能的高Al組分Al0.65Ga0.35N/Al0.40Ga0.60N溝道異質結材料,室溫電子遷移率高達767cm2/V·s。通過對藍寶石襯底與SiC襯底上直接生長Al0.65Ga0.35N/Al0.40Ga0.60N異質結材料的對比可以看出,SiC襯底上生長的AlGaN溝道異質結材料結晶質量更好,表面粗糙度更低。
　　3.采用臺階突變A

6、lGaN緩沖層生長方法,同時適當控制二維電子氣總密度,在藍寶石襯底上獲得了高結晶質量、無寄生溝道的高Al組分Al0.65Ga0.35N/Al0.40Ga0.60N溝道異質結材料,室溫電子遷移率高達893cm2/V·s。研究中,首先對于較低Al組分AlGaN溝道異質結材料,采用臺階突變緩沖層,顯著改善了材料的結晶質量和電學特性,遷移率增加,方塊電阻降低。然后,對于較高Al組分AlGaN溝道異質結材料,研究發(fā)現(xiàn),采用臺階突變緩沖層,結晶質量

7、也得到了顯著提升,并且材料電學特性有顯著改善。對于AlGaN緩沖層容易出現(xiàn)寄生溝道的問題,我們通過適當降低二維電子氣總密度,消除了寄生溝道。
　　4.基于緩變AlGaN緩沖層方法生長的AlGaN溝道異質結材料,研制出高擊穿電壓的HEMTs器件,柵漏間距為2.5μm時擊穿電壓大于200V。通過對器件的歐姆接觸特性的分析發(fā)現(xiàn)器件的歐姆接觸良好,但接觸電阻偏大,這是由于較高Al組分勢壘層歐姆接觸制作困難以及工藝優(yōu)化不足導致的。通過對器件