高性能AlGaN/GaN异质结材料的MOCVD生长与特性研究

摘要

由于AlN材料和GaN材料之间2.78 eV的导带断续以及Ⅲ族氮化物材料所具有的较强的极化效应，当AlGaN和GaN形成异质结材料时，在其界面处会出现高密度的二维电子气(2DEG)。因为2DEG远离离化电荷中心，所以它们屏蔽了离化杂质散射而具有相当高的迁移率，这使得AlGaN/GaN异质结成为研制高电子迁移率晶体管(HEMTs)的理想材料。为了提高AlGaN/GaN HEMTs的导电能力，必须提高AlGaN/GaN异质结材料的2DEG面密度和迁移率的乘积。通过增加AlGaN势垒层的Al摩尔组分可达到这一目的，但是，当Al摩尔组分过高，合金无序散射和界面粗糙度散射就会显著提高，从而造成2DEG迁移率显著减小，反而降低了2DEG面密度和迁移率的乘积。AlN插入层技术的出现打开了提高AlGaN/GaN异质结导电能力的瓶颈，有效地解决了这一问题。
　　 本文从反应室结构的设计开始，深入地研究了生长条件对GaN材料质量、电学和光学特性的影响，系统地研究了AlN插入层生长条件对GaN外延材料和AlGaN/GaN异质结材料结构、电学和光学特性的影响，获得了高质量的AlGaN/GaN异质结材料。采用有限元分析软件ANSYS对金属有机化合物化学气相淀积(MOCVD)系统反应室内的温度场和气流场进行了模拟仿真，以此为基础改进了MOCVD反应室的喷淋头结构，并在新的喷淋头结构下生长了多个批次的GaN材料。研究发现采用新的喷淋头生长GaN薄膜具有三个优点：⑴有效地节约了MOCVD生长所需的原材料；⑵改善了GaN外延层的表面形貌；⑶改善了GaN外延薄膜厚度的均匀性。深入地研究了MOCVD工艺中最重要的生长条件之一----生长压强对GaN薄膜生长速率、表面形貌和结晶质量的影响。研究结果表明，生长压强对初始高温GaN成核岛的形核生长有着重要的影响作用，采用高的生长压强降低了GaN薄膜的生长速率，并使薄膜表面粗化，但是却可以通过较少GaN材料中的线位错而显著提高材料的结晶质量。此外，对不同压强下生长的GaN样品电学特性的测量表明：提高薄膜的结晶质量是提高迁移率的关键。研究采用C-V法和Hall法测量AlGaN/GaN异质结材料的2DEG面密度，发现Hall法得到的2DEG面密度值大于C-V法得到的值，经分析认为，一方面，肖特基金属淀积在AlGaN/GaN异质结材料上，改变了AlGaN势垒层的表面状态，使得一部分2DEG电子被抽取到空的施主表面态中，从而减小了AlGaN/GaN异质结界面势阱中的2DEG浓度；另一方面，由于C-V测量本身精确度受到串联电阻效应的影响，使得测量电容小于实际电容，从而低估了GaN缓冲层中的背景载流子浓度。深入研究了AlN插入层对GaN材料结构特性和应力特性的影响。与常规GaN外延层相比，AlN插入层的引入可以减少GaN外延层表面的黑点缺陷，改善GaN外延层的表面形貌，而且随着AlN插入层生长温度的降低，GaN材料表面粗糙度逐渐减小。通过光致发光谱测量和拉曼散射测量发现AlN插入层的引入增加了GaN外延层的压应力，而且随着AlN插入层生长温度的提高，GaN层受到的压应力逐渐增加。通过X射线衍射直接测量了GaN外延层中的应力大小，并与Raman散射实验相比较，表明该应力使得Raman散射E2声子发生线性频移。生长了不同温度AlN插入层的GaN外延材料和AlGaN/GaN异质结材料。研究发现，采用AlN插入层的AlGaN/GaN异质结材料表面比没有插入层的常规异质结材料表面具有更少的黑点缺陷。进一步研究表明AlN插入层的采用虽然不能改变GaN外延材料和AlGaN/GaN异质结材料的结晶质量，但是却能提高AlGaN/GaN异质结材料的2DEG面密度和迁移率。这是由于AlN插入层增加了GaN层的压应力，增强了GaN层的压电极化电场，从而提高了2DEG面密度；同时AlN插入层减弱了AlGaN势垒层的驰豫度，改善了AlGaN/GaN异质结界面特性，因此，通过减弱AlGaN/GaN界面粗糙度散射从而提高了2DEG迁移率。研制了栅长为1μm的AlGaN/GaN HEMTs器件。研究发现，带有高温AlN插入层的AlGaN/GaN HEMTs器件比常规HEMTs器件表现出更加优越的电子器件特性，其最大漏电流和最大跨导比常规HEMTs器件的分别提高了42％和20％。