高阻緩沖層與高遷移率GaN基HEMT材料生長(zhǎng)研究.pdf

1、以GaN為代表的第三代(寬禁帶)半導(dǎo)體材料因其禁帶寬度大、擊穿場(chǎng)強(qiáng)高、熱導(dǎo)率高、耐腐蝕和抗輻照等優(yōu)勢(shì)，特別是GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)具有高密度和高遷移率的二維電子氣，被譽(yù)為是研制微波功率器件的理想材料。近年來，隨著外延技術(shù)的不斷進(jìn)步，GaN外延材料的結(jié)晶質(zhì)量也逐步提升，加上器件制造工藝的不斷成熟，AlGaN/GaN HEMT器件性能不斷提高。不過仍然存在一些關(guān)鍵問題制約器件性能與可靠性，如GaN緩沖層漏電問題和最佳異質(zhì)結(jié)構(gòu)問題。GaN緩沖層漏電直

2、接使得器件的夾斷特性變差，器件擊穿電壓不高，將嚴(yán)重降低器件的功率特性；GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化問題也很嚴(yán)重。它們都與器件工作特性息息相關(guān)。
　　 本文首先從GaN緩沖層中雜質(zhì)分布研究出發(fā)，分析認(rèn)為緩沖層漏電可分為兩種情況，一種是聚集有極高濃度載流子的掩埋電荷層，另一種是分布在整個(gè)GaN緩沖層中的背景載流子。在通過采用優(yōu)化條件的HT-AlN成核層生長(zhǎng)后，實(shí)現(xiàn)了將襯底中氧雜質(zhì)的擴(kuò)散抑制在了3D成核島中，并且背景載流子濃度也控制在了1

3、014cm-3量級(jí)。然而，GaN基微波功率器件工作時(shí)結(jié)溫一般超過150℃，在這種情況下，GaN材料會(huì)本征激發(fā)出大量的背景電子，另外，工作在負(fù)柵壓下的GaN基HEMT器件溝道中二維電子也會(huì)大量溢出至GaN緩沖層中，這都會(huì)嚴(yán)重影響GaN緩沖層的高阻特性。這時(shí)，需要通過適量的Fe摻雜在GaN緩沖層中形成深能級(jí)陷阱來束縛住這些背景載流子，以保證GaN基器件在工作時(shí)緩沖層仍然為高阻態(tài)。
　　其次，本文通過分析GaN材料中存在的多種散射機(jī)制

4、對(duì)溝道二維電子輸運(yùn)特性的影響，認(rèn)為在GaN基HEMT器件正常工作的情況下，影響2DEG遷移率的主要散射機(jī)制為合金無序散射、界面粗糙度散射以及位錯(cuò)散射。本文中主要從優(yōu)化常規(guī)的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)著手來實(shí)現(xiàn)更高的溝道2DEG遷移率。通過對(duì)AlN插入層、AlGaN勢(shì)壘層以及GaN帽層的優(yōu)化，分析溝道2DEG濃度與遷移率的函數(shù)關(guān)系，來降低由合金無序散射和界面粗糙度散射對(duì)遷移率的限制作用，并最終實(shí)現(xiàn)器件性能的提升。再次，GaN材料作為一種極

5、性半導(dǎo)體材料，溝道中二維電子與勢(shì)壘層應(yīng)變程度直接相關(guān)。而GaN外延層中殘留大量應(yīng)力時(shí)對(duì)器件的長(zhǎng)期可靠性是極為不利的，受逆壓電效應(yīng)的作用，存有應(yīng)力的GaN器件在高偏壓工作時(shí)容易導(dǎo)致無法修復(fù)的損傷。
　　 最后，從成本以及材料的利用率來講，GaN材料必然會(huì)向著大直徑化的方向發(fā)展，通過對(duì)自主研發(fā)的MOCVD320系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，成功的實(shí)現(xiàn)了在3、4inch藍(lán)寶石和碳化硅襯底上高質(zhì)量的GaN薄膜外延，整個(gè)外延片也具有較好的均勻性，基于此