高阻缓冲层与高迁移率GaN基HEMT材料生长研究

摘要

以GaN为代表的第三代(宽禁带)半导体材料因其禁带宽度大、击穿场强高、热导率高、耐腐蚀和抗辐照等优势，特别是GaN异质结构具有高密度和高迁移率的二维电子气，被誉为是研制微波功率器件的理想材料。近年来，随着外延技术的不断进步，GaN外延材料的结晶质量也逐步提升，加上器件制造工艺的不断成熟，AlGaN/GaN HEMT器件性能不断提高。不过仍然存在一些关键问题制约器件性能与可靠性，如GaN缓冲层漏电问题和最佳异质结构问题。GaN缓冲层漏电直接使得器件的夹断特性变差，器件击穿电压不高，将严重降低器件的功率特性；GaN异质结构参数的优化问题也很严重。它们都与器件工作特性息息相关。
　　 本文首先从GaN缓冲层中杂质分布研究出发，分析认为缓冲层漏电可分为两种情况，一种是聚集有极高浓度载流子的掩埋电荷层，另一种是分布在整个GaN缓冲层中的背景载流子。在通过采用优化条件的HT-AlN成核层生长后，实现了将衬底中氧杂质的扩散抑制在了3D成核岛中，并且背景载流子浓度也控制在了1014cm-3量级。然而，GaN基微波功率器件工作时结温一般超过150℃，在这种情况下，GaN材料会本征激发出大量的背景电子，另外，工作在负栅压下的GaN基HEMT器件沟道中二维电子也会大量溢出至GaN缓冲层中，这都会严重影响GaN缓冲层的高阻特性。这时，需要通过适量的Fe掺杂在GaN缓冲层中形成深能级陷阱来束缚住这些背景载流子，以保证GaN基器件在工作时缓冲层仍然为高阻态。
　　其次，本文通过分析GaN材料中存在的多种散射机制对沟道二维电子输运特性的影响，认为在GaN基HEMT器件正常工作的情况下，影响2DEG迁移率的主要散射机制为合金无序散射、界面粗糙度散射以及位错散射。本文中主要从优化常规的AlGaN/GaN异质结构着手来实现更高的沟道2DEG迁移率。通过对AlN插入层、AlGaN势垒层以及GaN帽层的优化，分析沟道2DEG浓度与迁移率的函数关系，来降低由合金无序散射和界面粗糙度散射对迁移率的限制作用，并最终实现器件性能的提升。再次，GaN材料作为一种极性半导体材料，沟道中二维电子与势垒层应变程度直接相关。而GaN外延层中残留大量应力时对器件的长期可靠性是极为不利的，受逆压电效应的作用，存有应力的GaN器件在高偏压工作时容易导致无法修复的损伤。
　　 最后，从成本以及材料的利用率来讲，GaN材料必然会向着大直径化的方向发展，通过对自主研发的MOCVD320系统结构的改进，成功的实现了在3、4inch蓝宝石和碳化硅衬底上高质量的GaN薄膜外延，整个外延片也具有较好的均匀性，基于此缓冲层外延的AlGaN/GaN异质结其电特性和均匀性也都能够满足器件制造的需要。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 GaN在微波功率器件中的应用

1.2 GaN材料及AlGaN/GaN HEMT的发展历程

1.3 Ⅲ族氮化物材料的一些基本性质

1.4 我校的GaN基材料与器件研究现状及展望

1.5 本论文的研究目的及各章节撰写安排

第二章 GaN基材料生长及表征

2.1 MOCVD外延技术

2.1.1 MOCVD外延GaN薄膜的反应过程

2.1.2 异质外延生长的基本模式

2.1.3 基于MOCVD设备的GaN外延工艺流程

2.1.4 HVPE和MBE技术

2.2 GaN材料的表征

2.2.1 X射线衍射测试

2.2.2 范德堡霍尔测量

2.2.3 电容-电压测试

2.3 本章小结

第三章 本征GaN层漏电问题及高阻实现方法

3.1 GaN缓冲层漏电特性的表征方法

3.1.1 CV测试表征GaN缓冲层漏电

3.1.2 台面隔离测试

3.1.3 SIMS测试

3.2 GaN缓冲层内非故意掺杂杂质起源

3.3 掩埋电荷层抑制方案

3.4 高温下GaN材料高阻实现方案

3.5 本章小结

第四章 AlGaN/GaN异质结构的最优化设计与生长

4.1 GaN基HEMT中2DEG的散射机制

4.1.1 声子散射

4.1.2 合金无序散射

4.1.3 界面粗糙度散射

4.1.4 电离杂质散射

4.1.5 背景残余杂质散射

4.1.6 位错散射

4.1.7 电偶极子位错散射

4.2 AlGaN/GaN异质结构优化设计

4.2.1 AlN插入层优化

4.2.2 AlGaN势垒层优化

4.3 GaN帽层的应用及其在HEMT器件中的作用

4.4 基于SiC衬底上的GaN外延薄膜的应力分析

4.5 基于大直径衬底上的GaN基HEMT材料外延生长研究

4.6 本章小结

第五章 结论

致谢

参考文献

攻读硕士期间的研究成果和参加的科研项目