InAlN/InGaN/(Al)GaN双异质结构材料生长与特性研究

摘要

Ⅲ-Ⅴ族氮化物半导体材料及2DEG具有优越的电学性能，使得GaN基高电子迁移率晶体管在抗击穿、耐高温及微波功率器件应用方面极具潜力。AlGaN/GaN异质结是目前研究及应用最为广泛的氮化物异质结构，基于AlGaN/GaN异质结的研究已有大量可观成果。但是，随着对Ⅲ-Ⅴ族氮化物异质结器件潜力的进一步挖掘，AlGaN/GaN异质结构已逐渐不能满足需求，一些不足阻碍了其广泛应用，体现在以下几方面:1、为进一步提升频率性能，要求器件尺寸按比例缩小，因而AlGaN/GaN异质结势垒层厚度要随之降低以抑制短沟道效应，但是随着势垒层厚度减小，2DEG面密度急剧下降，将退化输运性能;2、常规AlGaN/GaN异质结HEMTs器件中2DEG在高温高压情况下易溢出沟道进入缓冲层，引起迁移率下降及可靠性问题。前者可通过槽栅工艺或将AlGaN势垒材料替换为薄势垒材料得到改善;后者可通过在异质结构中采用背势垒即双异质结构来增强2DEG限域性。对于常规GaN沟道双异质结构而言，AlGaN或InGaN常被用做背势垒材料，它们可以通过提升2DEG沟道下方GaN缓冲层导带高度来提高2DEG限域性;另一种实现双异质结构的方法是采用InGaN沟道层，由于InGaN沟道材料禁带宽度小，因此在沟道层/缓冲层界面处将形成天然背势垒，并且由于InGaN材料具有较小的电子有效质量，采用InGaN沟道还有进一步提升异质结材料及器件性能的潜力。
　　在此背景下，本文对近晶格匹配InAlN/InGaN/(Al) GaN双异质结材料的MOCVD生长及MIS-HEMTs器件研制开展研究。主要工作如下:
　　1.研究了InGaN材料MOCVD生长过程中，外延温度、反应室压强、TMIn流量、氨气流量、外延生长方式以及模板应力对InGaN外延材料的影响。研究发现:提高温度有利于改善外延材料结晶质量，但会降低材料中In组分，过低或过高的温度都可能引起In析出;提高反应室压强，In组分逐渐降低，结晶质量呈现改善趋势，但过低压强不利于抑制InGaN在生长过程中的分解并引起组分起伏;随着TMIn流量增大，样品In组分逐渐提高并趋于饱和，表面In滴增多，样品中位错密度增高，但随着TMIn流量继续提高，位错密度增长变缓;高氨气流量有利于提高InGaN材料中In组分并抑制偏析;相比连续法，脉冲法可以改善材料的结晶质量，但是样品中In组分更低，且脉冲法生长速度很慢;外延模板在InGaN材料生长时施加的压应力越大，材料中In组分越低，压应力有助于抑制材料中In的不均匀分布。
　　2.结合InGaN材料生长经验，对于InGaN沟道生长，为保证材料质量应选用合适的生长条件，避免选用过高In组分及过厚的沟道厚度。结合AlGaN背势垒结构可以进一步增强2DEG限域性，并且，AlGaN背势垒增强的压应力有利于抑制InGaN沟道层生长时的组分波动问题。
　　3.利用图形化蓝宝石衬底外延了GaN及InAlN/GaN异质结材料，并与同批次在传统平面衬底上外延的具有相同结构的材料进行对比发现:在图形化蓝宝石衬底上外延的材料具有更好的结晶质量、更平整异质结界面形貌及表面形貌，因此，在图形化蓝宝石衬底上外延的InAlN/GaN异质结材料展现了更高的2DEG迁移率，所以基于图形化衬底进行异质结材料外延有进一步改善异质结材料性能的潜力，为氮化物异质结器件性能提升提供了一种重要的新方法。此外，通过对在不同衬底上外延的InAlN/GaN异质结材料进行对比研究发现:与压应力对InGaN材料生长的影响相同，增加压应力也会降低In原子在InAlN材料中的结合效率。
　　4.生长了InAlN/InGaN/GaN双异质结材料并表征，研究发现:与常规InAlN/GaN异质结构相比，双异质结材料具有更强的2DEG限域能力，因此高温时具有改善的载流子输运性能，593K时，InAlN/InGaN/GaN双异质结材料中电子迁移率仍高达549cm2/Vs，方块电阻仅为564Ω/sq;在上述InAlN/InGaN/GaN双异质结材料基础上，通过对Al组分渐变AlGaN过渡层的生长进行优化，最终采用变温法(940～1070℃)生长了AlGaN过渡层及电学性能优异InAlN/InGaN/AlGaN双异质结材料，该样品室温2DEG迁移率达1293 cm2/Vs，为目前所报道的InGaN沟道迁移率的最高值。
　　5.基于上述InAlN/InGaN/AlGaN双异质结材料，研制了InAlN/InGaN/AlGaN双异质结MIS-HEMTs器件，栅介质采用Si3N4，栅长和栅宽分别为0.5μm和2×50μm。测试表明:最大漏电流密度及最大跨导分别为1131.3 mA/mm和155mS/mm;器件漏致势垒降低系数仅为6.6 mV/V，归功于双异质结构增强的2DEG限域性;器件截止频率和最高振荡频率分别为7和14.5 GHz。

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摘要

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符号对照表

缩略语对照表

第一章 绪论

1．1 宽禁带GaN基半导体材料及异质结研究的重要性

1．2 InAlN／InGaN／(Al)GaN异质结材料的优势及研究意义

1．3 InGaN沟道双异质结材料的研究进展

1．4 本文的研究内容和安排

第二章 氮化物的MOCVD生长及材料表征方法

2．1 氮化物材料的MOCVD生长技术

2．1．1 III-V族氮化物材料的MOCVD生长机理

2．1．2 III-V族氮化物薄膜的MOCVD外延衬底

2．1．3 基于西电120型MOCVD系统的GaN模板材料生长

2．2 氮化物材料的表征方法

2．2．1 X射线衍射分析(XRD)

2．2．2 光致发光谱分析(Photoluminescence，PL)

2．2．3 拉曼光谱分析(Raman)

2．2．4 原子力显微镜(AFM)

2．2．5 扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope，SEM)

2．2．6 二次离子质谱(Secondary Ion Mass Spectroscopy,SIMS)

2．2．7 霍尔测试(Hall)

2．2．8 电容一电压测试(CV)[72]

2．3 本章小结

第三章 InGaN三元合金材料的MOCVD生长研究

3．1 InGaN材料的重要性及应用

3．2 InGaN材料生长与研究所面临的困难

3．3 外延条件对InGaN材料的影响

3．3．1 外延生长温度对InGaN材料的影响

3．3．2 反应室压强对InGaN材料的影响

3．3．3 TMIn流量对InGaN外延材料的影响

3．3 ．4 NH3流量对InGaN外延材料的影响

3．3．5 外延层生长方式对InGaN外延材料的影响

3．3．6 生长模板对InGaN外延材料的影响

3．4 应用于异质结2DEG沟道层的InGaN材料生长思路

3．5 本章小结

第四章 基于PSS衬底的InAIN／GaN异质结材料生长与表征

4．1 图形化衬底以及图形化衬底的应用

4．1．1 图形化衬底介绍

4．1．2 图形化衬底的应用

4．1．3 本节小结

4．2 基于PSS衬底的GaN材料生长及分析

4．2．1 衬底与材料生长条件的选择

4．2．2 基于PSS衬底的GaN材料外延生长

4．2．3 样品的XRD测试结果和分析

4．2．4 样品的表面形貌测试结果和分析

4．2．5 样品的PL测试结果和分析

4．2．6 本节小结

4．3 基于PSS衬底的InAlN／GaN异质结材料生长与分析

4．3．1 InAlN／GaN异质结材料生长过程

4．3．2 InAlN／GaN异质结材料结晶质量

4．3．3 InAlN／GaN异质结材料的AFM形貌

4．3．4 InAlN／GaN异质结材料的霍尔测试结果

4．3．5 本节小结

4．4 本章小结

第五章 InAlN／InGaN／GaN及InAlN／InGaN／AlGaN双异质结外延材料和表征

5．1 双异质结与InGaN沟道

5．1．1 DH结构的优势及研究进展

5．1．2 InGaN沟道的优势与研究进展

5．1．3 本节小结

5．2 InAlN／InGaN／GaN异质结材料的仿真研究

5．2．1 变沟道组分的InAlN／InGaN／GaN DH结构的仿真研究

5．2．2 变沟道厚度的InAlN/InGaN／GaN异质结构的仿真研究

5．2．3 本节小结

5．3 InAlN／InGaN／GaN双异质结材料的生长及表征

5．3．1 InAlN／InGaN／GaN双异质结材料的生长

5．3．2 不同沟道厚度的InAlN／InGaN／GaN双异质结材料对比研究

5．3．3 InAlN/InGaN/GaN与InAlN／GaN异质结材料电学性能对比

5．3．4 本节小结

5．4 InAlN／InGaN／AlGaN双异质结材料的生长及表征

5．4．1 InAlN／InGaN／AlGaN双异质结材料的外延层结构

5．4．2 InAlN／InGaN／AlGaN双异质结材料的生长优化和表征

5．4．3 本节小结

5．5 本章小结

第六章 InAlN/InGaN／AlGaN MIS-HEMTs器件的制造与特性研究

6．1 常规AlGaN／GaN HEMTs器件的基本参数及制造流程

6．1．1 HEMTs器件的关键参数[174]

6．1．2 常规AIGaN／GaN HEMTs器件工艺介绍

6．1．3 本节小结

6．2 InAlN／InGaN／AlGaN双异质结MIS-HEMTs器件制造流程

6．2．1 外延片清洗

6．2．2 外延片光刻对准标记层的制作

6．2．3 欧姆接触的制作

6．2．4 台面隔离

6．2．5 Si3N4钝化层淀积

6．2．6 MIS结构栅电极制作与Si3N4保护钝化

6．2．7 金属互连开孔光刻与Si3N4保护钝化层刻蚀

6．2．8 金属互连

6．2．9 本节小结

6．3 InAlN／InGaN／AlGaN MIS-HEMTs器件的欧姆接触和肖特基接触特性

6．3．1 InAlN／InGaN／AlGaN双异质结MIS-HEMTs器件的欧姆接触

6．3．2 InAlN／InGaN／AlGaN MIS-HEMTs器件的肖特基接触特性

6．3．3 本节小结

6．4 InAlN／InGaN／AlGaN双异质结MIS-HEMTs器件电学特性

6．4．1 直流输出特性和直流转移特性

6．4．2 漏致势垒降低特性

6．4．3 击穿特性

6．4．4 交流小信号特性

6．4．5 本节小结

6．5 本章小结

第七章 结束语

参考文献

致谢

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