基于自支撑GaN衬底上垂直结构AlGaN/GaN CAVET MOCVD外延生长及器件性能研究

摘要

近年来，Ⅲ-Ⅴ族GaN材料及AlGaN/GaN异质结由于临界击穿场强高、热传导性好、电子饱和迁移率快和电子面密度高等优点在高频、高压和大功率器件的应用使其得到国内外广泛关注。然而，水平结构AlGaN/GaN HEMT目前面临着电流崩塌、增强型、封装兼容性、可靠性以及高耐压等问题阻碍其应用和进一步发展。垂直结构AlGaN/GaN CAVET(Current Aperture Vertical Electron Transistor)结合了水平结构AlGaN/GaN HEMT高浓度二维电子气和垂直结构GaN基MOSFET高击穿电压等优势开始获得关注。器件工作时电流从源极沿着二维电子气沟道到达栅极，利用高阻GaN或p-GaN作为电流阻挡层使电子只能通过高电导率的导通通孔到达GaN衬底上漏电极，控制栅极电压释放和耗尽沟道中的电子，实现器件的开启与关断。基于Al离子注入形成高阻GaN、Mg掺杂或者Mg离子注入形成p-GaN作为电流阻挡层的垂直结构AlGaN/GaN CAVET在调节导通通孔电导率、抑制二次外延生长界面污染、修复离子注入导致晶格损伤、消除Mg记忆效应、解决N面GaN欧姆接触和DC-RF电流崩塌等问题上进行深入研究。本论文从软件Silvaco Altas和TRIM模拟、MOCVD外延生长和器件工艺制作以及电学性能表征等对存在的问题展开讨论，研究内容如下：
　　1.提出了MOCVD外延GaN成核层时载气由H2切换为N2引入刃位错，结合外延GaN漂移区时降低生长温度和V/III比引入非故意C掺杂降低背景载流子浓度，获得方块电阻RSH为106Ω/□的高阻GaN。进而优化势垒层AlGaN的Al组分和厚度、AlN插入层和GaN盖帽层外延AlGaN/GaN HEMT全结构，Hall测试结果为：方块电阻RSH=332.9Ω/□，迁移率?=1920cm2/V?s，载流子浓度N s为9.7×1012cm-2。器件饱和电流I DS为478.9mA/mm，跨导Gm为60mS/mm，器件开关比IOn IOf为0.96×108，耐压VBR为600V@0.01mA/mm，完成垂直结构AlGaN/GaN CAVET沟道处的优化。
　　2.系统研究了二次外延生长存在的界面污染的问题，C-V测试表明了MOCVD外延生长前900s高温1180℃退火使二次外延生长界面背景载流子浓度降低一个数量级，从而减小C、O和Si等杂质浓度。此外，我们还对比了HVPE GaN自支撑衬底和Sapphire/GaN模板上二次外延生长AlGaN/GaN HEMT晶体质量、直流电学特性和电流崩塌特性。
　　3.研究发现AlGaN/GaN HEMT阈值电压VTH会随着栅电极钝化层LPCVD SiNx厚度呈VTH=-0.25x-2.93线性递减，根据阈值电压变化提取SiNx/AlGaN界面处缺陷态密度为SiNx AlGaNQ=2.87?1013cm-2，通过变频1kHz-1MHz的C-V电导法提取AlGaN/GaN界面处缺陷能级C TE?E、缺陷态密度Dit以及时间常数?it，解释了随着钝化层厚度增加电流崩塌减弱的原因。研究Si离子注入及退火温度对减小欧姆接触电阻的影响，采用Si离子注入的能量和剂量为80keV(1×1015cm-2)+30keV(1.6×1014cm-2)，经过5min高温1200℃退火激活Si可以将接触电阻率Rc降低到0.5Ω?mm。
　　4.通过水平结构AlGaN/GaN HEMT器件制作C-V测试表明Al离子注入形成高阻GaN相当于Al0.058Ga0.942N背势垒层，并且SIMS测试表征Al离子注入在高温二次外延生长过程中没有发生扩散。进而成功制备了Al离子注入GaN作为CBL垂直结构AlGaN/GaN CAVET，器件的饱和电流I DS=107A/cm2，跨导Gm=2mS/mm，导通电阻ROn-A=49.1mΩ?cm2。通过减薄、研磨和抛光低掺杂电阻率为R>0.5Ω?mm自支撑GaN衬底取代原来的高掺杂电阻率为R<0.05Ω?mm衬底提高垂直结构器件的耐压特性。
　　5.通过Hall和SIMS测试表明阻挡层LT-GaN相对于AlN能更好抑制Mg在MOCVD外延过程中记忆效应。成功制备了p-GaN带有LT-GaN阻挡层作为电流阻挡层的垂直结构AlGaN/GaN CAVET，器件饱和电流I DS=769mA/mm，跨导Gm=35.1mS/mm，开关比IOn IOf=2.5×107。CAVET器件输出特性的膝点电压偏高归结于Mg在MOCVD外延生长的横向扩散导致导通通孔电导率下降。
　　6.成功制备了Mg离子注入形成p-GaN作为电流阻挡层垂直结构AlGaN/GaN CAVET，器件件饱和电流IDS=2894mA/mm@VDS=20V，VGS=2V，跨导Gm=62.4mS/mm。最后对Al离子注入形成高阻GaN、Mg掺杂和Mg离子注入形成p-GaN作为CBL垂直结构AlGaN/GaNCAVET电流崩塌特性进行分析讨论。

目录

声明

1 绪 论

1.1 垂直结构AlGaN/GaN CAVET的研究背景及意义

1.2 垂直结构AlGaN/GaN CAVET的工作原理

1.3自支撑GaN衬底的研究进展

1.4 AlGaN/GaN CAVET的研究概况及技术难题

1.5 本文的主要工作和内容安排

2 AlGaN/GaN CAVET理论基础和异质结外延生长基本原理

2.1 III族氮化物晶体结构和极化效应

2.2 AlGaN/GaN异质结2DEG产生机理以及来源

2.3 金属有机物气相外延沉积(MOCVD)

2.4 金属与半导体接触原理和测试表征

2.5材料和器件测试表征设备

2.6 本章小结

3 Sapphire和GaN衬底AlGaN/GaN HEMT外延以及器件制作

3.1 AlGaN/GaN HEMT外延优化生长以及器件表征

3.2 基于sapphire和自支撑GaN衬底HEMT器件特性对比

3.3 钝化层LPCVD SiNx厚度对HEMT器件特性的影响

3.4 Si离子注入减小欧姆接触的接触电阻研究

3.5 本章小结

4 Al离子注入GaN作为CBL的CAVET外延以及器件特性

4.1 Al离子注入形成高阻GaN作为电流阻挡层验证实验

4.2垂直结构AlGaN/GaN CAVET器件工艺制作流程

4.3 Al 离子注入GaN作为CBL垂直结构CAVET器件特性表征

4.4低掺杂自支撑GaN衬底提高CAVET器件耐压特性研究

4.5本章小结

5 Mg掺杂p-GaN作为CBL的CAVET外延以及器件特性

5.1 LT-GaN和AlN阻挡层优化p-GaN Mg记忆效应研究

5.2 Mg掺杂p-GaN作为CBL垂直结构CAVET器件特性研究

5.3 本章小结

6 Mg离子注入p-GaN作为CBL的CAVET外延以及器件特性

6.1 Mg离子注入p-GaN作为CBL垂直结构CAVET器件特性研究

6.2 不同CBL垂直结构AlGaN/GaN CAVET电流崩塌特性研究

6.3本章小结

7 总结与展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表论文目录

附录2 攻读博士学位期间申请专利目录