硅基AlInGaN-AlN-GaN HEMT外延生長與器件工藝研究.pdf

1、氮化鎵(GaN)半導(dǎo)體材料具有禁帶寬度大、擊穿場強高等諸多優(yōu)點，因此，GaN基高電子遷移率晶體管(HEMT)在功率轉(zhuǎn)換和微波射頻領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景。其中，基于四元合金AlInGaN勢壘層的HEMT兼具低導(dǎo)通電阻、弱短溝道效應(yīng)等特色，故在高壓、高頻領(lǐng)域均有應(yīng)用價值。本論文圍繞AlInGaN/GaNHEMT的材料外延生長、器件工藝制備、柵極漏電物理機制等關(guān)鍵問題開展了較為深入的研究。主要工作內(nèi)容包括:
　　1.系統(tǒng)研究了AlInGa

2、N/AlN/GaN異質(zhì)結(jié)的MOCVD外延生長，包括Si基GaN高質(zhì)量外延生長以及基于四元合金勢壘層的異質(zhì)結(jié)生長。通過XRD、TEM、Hall等測試表征手段，分別研究了AlInGaN勢壘層的生長溫度、速率、壓力以及Ga組分對勢壘層表面形貌、二維電子氣(2-Dimensional electron gas，2DEG)特性等的影響。研究發(fā)現(xiàn):隨著勢壘層生長溫度的升高，In組分隨之減低，AlInGaN/GaN異質(zhì)結(jié)表面缺陷密度顯著下降;隨著生長

3、速率的增大，In組分隨之升高，表面小孔增多;隨著Ga組分的增加，2DEG濃度隨之減小。綜合上述結(jié)果，在較高溫度、較低速率、中等Ga組分的生長條件下，獲得了高質(zhì)量的AlInGaN四元合金勢壘層材料。
　　2.深入研究了AlInGaN/AlN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中AlN插入層Ga的非故意并入及其抑制方法。本文通過將異質(zhì)結(jié)構(gòu)的外延生長終止在AlN插入層表面，在氨氣的保護下降溫觀察表面形貌的實驗，證實了1nm厚的AlN插入層并沒有均勻地覆蓋在

4、GaN溝道層表面。未被AlN覆蓋完全的GaN溝道層在降溫過程中會發(fā)生分解，導(dǎo)致表面形成坑狀的粗糙形貌。進一步通過對AlN/GaN多層結(jié)構(gòu)的TEM表征分析，發(fā)現(xiàn)“AlN”插入層中存在非故意并入Ga推測Ga的主要來源是下層GaN的分解。通過調(diào)控“AlN”插入層的生長工藝，有效抑制了下層GaN的分解，顯著降低了非故意并入的Ga組分，獲得了高質(zhì)量的異質(zhì)結(jié)界面，有效減小了界面粗糙和合金結(jié)構(gòu)對2DEG的散射，從而顯著提高了2DEG遷移率。
　

5、　3.基于AlInGaN/AlN/GaN異質(zhì)結(jié)開展了HEMT器件工藝研究，并與傳統(tǒng)的AlGaN/AlN/GaN HEMT進行了對比分析。結(jié)果表明:AlInGaN/AlN/GaN HEMT的導(dǎo)通電阻為AlGaN/AlN/GaN HEMT的一半，說明AlInGaN勢壘層能夠誘導(dǎo)更高濃度的2DEG，方阻更小，然而柵極漏電比AlGaN勢壘層大兩個數(shù)量級。借助LPCVD沉積的SiNx作為柵介質(zhì)，成功將AlInGaN/AlN/GaN HEMT的柵極

6、漏電減小了三個數(shù)量級，開關(guān)比達到108，與AlGaN/AlN/GaN HEMT水平相當(dāng)。
　　4.通過對HEMT器件進行柵極漏電的變溫測試，依據(jù)低場Poole-Frenkel Emission模型和高場Fowler-Nordheim Tunneling模型深入分析了基于三種不同勢壘層(AlInN，AlGaN，AlInGaN)的GaN基HEMT的柵極漏電機制。論文提出并成功實現(xiàn)了AlInGaN/AlGaN/GaN復(fù)合勢壘層的外延結(jié)構(gòu)

7、，上層勢壘層AlInGaN用于產(chǎn)生高的極化電場，誘導(dǎo)出更高濃度的2DEG，下層勢壘層AlGaN可有效抑制柵極漏電，成功將柵極漏電降低了兩個數(shù)量級。
　　5.為實現(xiàn)較高的截止頻率，通常要求射頻器件的柵長盡可能小。在柵長減小的同時，為避免短溝道效應(yīng)，需要采用超薄勢壘層，例如高Al組分的AlGaN。然而，由于高Al組分的AlGaN勢壘層存在組分不均勻、局部應(yīng)力過大等問題，會導(dǎo)致應(yīng)力弛豫，在異質(zhì)結(jié)表面誘導(dǎo)出現(xiàn)微型槽(groove)結(jié)構(gòu)，從

8、而嚴重影響2DEG特性和器件性能。針對此問題，本文通過在高Al組分AlGaN勢壘層的生長過程中通入少量的In，提升Al原子在生長表面的遷移能力，從而改善了組分均勻性，有效減小了局部應(yīng)力，成功生長出高質(zhì)量的高Al組分AlInGaN勢壘層。基于該AlInGaN/AlN/GaN異質(zhì)結(jié)開展了HEMT射頻器件工藝研究，成功研制出55nmT型柵高頻微波器件，器件導(dǎo)通電阻為1.6Ω·mm，輸出電流為1.25A/mm，跨導(dǎo)為420mS/mm。器件頻率特