一种高可靠AlGaN/GaN异质结构设计方法

摘要

本发明公开了一种高可靠AlGaN/GaN异质结构的设计方法，其特征在于，分别生长不同Al组分和不同AlN插入层厚度的AlGaN/GaN？HEMT结构并测量其二维电子气面密度，基于实测数据统计，建立势垒层晶格弛豫度模型，并将该模型耦合到异质结构能带和二维电子气浓度计算中，针对特定二维电子气面密度目标设计值，通过二维电子气面密度拟合，得到最优的材料结构参数，使AlGaN/GaN异质结构势垒层弛豫度达到最低。本发明的优点：可以在保证材料性能和器件性能的基础上，从根本上抑制由电、热等应力因素导致的器件性能退化，提高器件鲁棒性和可靠性，同时避免了大批量流片验证造成的成本浪费。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种低弛豫、高可靠的AlGaN/GaN异质结构设计方法，属于半导体异质结构材料与器件技术领域。

背景技术

GaN材料作为第三代宽禁带半导体材料的代表，在高温微波大功率器件方面极具应用优势。氮化物区别于其它化合物半导体材料的突出特性是具有很强的极化效应，这使得常规AlGaN/GaN异质结构即使在未掺杂情况下，也可获得面密度高达1×10¹³cm^-2的二维电子气，比传统GaAs体系高一个量级。在此基础上进一步引入AlN插入层技术，即形成AlGaN/AlN/GaN异质结构，不仅可以增强极化效应，提高二维电子气浓度，而且由于AlN对合金无序散射的屏蔽作用，还可以显著提高二维电子气迁移率。

近几年，随着GaN材料和器件工艺的不断成熟，微波功率器件性能获得了显著提升，工程化应用进程也在持续推进，而GaNHEMT器件的长期可靠性成为了目前限制其大规模应用的主要瓶颈，其中由应力引起的缺陷是导致器件失效的主要因素之一。与晶格匹配的AlGaAs/GaAsHEMT异质结构不同，AlGaN/（AlN）/GaN异质结构是一种赝配结构，AlN的晶格常数比GaN小，这使得生长在GaN缓冲层上的AlGaN层存在张应变并随Al组分增大而增大。一方面，由应变导致的压电极化可增强AlGaN/GaN界面的正极化电荷，有利于二维电子气浓度的提高，另一方面，应变过大将导致晶格弛豫，由此引起的缺陷将导致器件性能和可靠性下降，最为典型的即是由MIT研究小组提出的逆压电效应。由于AlGaN势垒层本身存在一定应变，在强的电场作用下，应变进一步增大并超过临界值，使得晶格弛豫并在栅脚漏侧附近产生晶格缺陷或裂纹，从而导致器件性能退化甚至失效。目前，大量的工作集中于如何从器件结构和工艺角度降低峰值电场以削弱逆压电效应的影响，如斜栅技术、场板技术等。这不仅增大了工艺难度和控制难度，而且对器件的频率特性也产生一定影响，限制了器件的高频应用。

发明内容

本发明提出的是一种高可靠AlGaN/GaN异质结构设计方法，旨在针对现有技术存在的上述缺陷，从材料结构设计层面进行根本改进，通过建立AlGaN/AlN/GaNHEMT异质结构应变弛豫模型，并将该模型纳入到常规异质结能带和二维电子气面密度计算当中，针对特定的二维电子气面密度目标设计值，得到最优的AlGaN势垒层Al组分x和AlN插入层厚度d_AlN参数，使得AlGaN/AlN/GaN异质结构势垒层弛豫度达到最低，减小高场作用下由逆压电效应导致的材料应力，抑制缺陷产生，从而达到提高器件长期可靠性的目的，具有高晶格质量、低弛豫度以及降低研究成本等优点。

本发明的技术解决方案：一种高可靠AlGaN/GaN异质结构的设计方法，依次包括如下步骤：

a）在衬底（1）上依次生长成核层（2），缓冲层（3），沟道层（4），AlN插入层（5），AlGaN势垒层（6），在AlN/GaN界面形成二维电子气（7）；

b)当AlN插入层（5）厚度d_AlN=0,保持材料其它参数不变，改变AlGaN势垒层（6）中Al组分x（0.1≤x≤0.4），生长一系列AlGaN/GaN异质结构材料，样本数量≥3；计算AlGaN势垒层应变f＝0.077x/3.189，统计AlGaN势垒层应变f和二维电子气面密度实测结果n_s；

c）基于常规异质结能带和二维电子气面密度计算方法，对样本进行计算，调节AlGaN势垒层（6）的弛豫度R使计算的二维电子气面密度与实测结果相等，获得一组AlGaN势垒层应变f和应变弛豫度R对应关系的数据[f,R]（8）；基于上述数据[f,R]（8），采用函数曲线拟合法,建立以AlGaN势垒层应变f为自变量、应变弛豫度R_stress为因变量的关系模型R_stress(f)（9）；

d)当AlGaN势垒层（6）中Al组分x≤0.2,保持材料其它参数不变，改变AlN插入层（5）厚度d_AlN（0nm≤d_AlN≤1nm），生长一系列AlGaN/AlN/GaN异质结构，样本数量≥3，统计AlN插入层厚度、二维电子气面密度实测结果n_s；

e）基于常规异质结能带和二维电子气面密度计算方法，对样本进行计算，调节Al_xGa_1-xN势垒层的弛豫度R使计算的二维电子气面密度与实测结果相等，获得一组AlN插入层厚度d_AlN和AlGaN势垒层弛豫度R'对应关系的数据[d_AlN,R']（10）；基于上述数据[d_AlN,R']（10），采用函数曲线拟合法,建立以AlN插入层厚度d_AlN为自变量、AlGaN势垒层相对弛豫度R_relative为因变量的关系模型R_relative(d_AlN)（11）；

f）当AlN插入层（5）厚度d_AlN>0时，计算AlGaN势垒层（6）应变,其中x为AlGaN势垒层Al组分，R_relative为势垒层相对弛豫度；由于AlGaN势垒层应变f为Al组分x和相对弛豫度R_relative的函数，而R_relative为AlN厚度d_AlN的函数，所以AlGaN势垒层应变弛豫度R_stress为Al组分x和AlN厚度d_AlN函数，即R_stress(f)=R_stress(x,R_relative)=R_stress(x,d_AlN)；

g）AlGaN势垒层总弛豫度R_total＝AlGaN势垒层相对弛豫度R_relative(d_AlN)+应变弛豫度R_stress(x,d_AlN),将AlGaN势垒层总弛豫度R_total纳入到常规异质结能带和二维电子气面密度计算当中，计算不同Al组分x和AlN厚度d_AlN的二维电子气面密度曲线，其中横坐标为AlN插入层厚度d_AlN，纵坐标为二维电子气面密度n_s，x为参量；

h）针对器件研制所需的二维电子气面密度目标设计值（12），选择与该设计值水平线相切的那条二维电子气面密度随AlN插入层厚度的变化曲线（13），获得曲线（13）对应的AlGaN势垒层Al组分x₀，以及切点（14）的横坐标d_AlN0，即为最优材料参数，此时材料结构的弛豫度最低。

本发明的有益效果：相对于现有技术而言具有以下优点：

1）传统改善由逆压电效应导致的器件性能退化的问题大都从器件结构设计和工艺改进出发，一方面会花费相当大的工艺成本进行工艺开发，另一方面，由于栅结构的改变和场板技术的引入将增大器件的寄生效应，从而限制器件频率性能的进一步提升；

2）在AlGaN/GaN材料结构和工艺不变的情况下，基于外部器件结构和工艺改进来提升器件可靠性的空间有限；

3）本发明是一种高可靠AlGaN/GaN异质结构设计方法，可从材料角度根本改善由逆压电效应带来的可靠性问题，最大限度发挥器件的性能；

4）由于AlGaN势垒层的应力不仅与其厚度和Al组分相关，还受材料生长工艺的影响，并且很难通过实验方法精确测试，因此基于实验方法降低材料的弛豫度难度也非常大，而基于本发明中设计方法可以大大降低材料和器件工艺开发成本，避免大批量流片和测试造成的浪费。

附图说明

图1是常规AlGaN/AlN/GaN异质结构示意图；

图2是本发明中弛豫度R_stress随AlGaN势垒层应变f的变化关系模型示意图；

图3是本发明中弛豫度R_relative随AlN插入层厚度d_AlN的变化关系模型示意图；

图4是本发明中AlGaN/AlN/GaN异质结构二维电子气面密度n_s随AlN插入层厚度d_AlN和Al组分x的变化关系示意图。

图中的1是衬底，2是成核层，3是AlyGa1-yN缓冲层，4是GaN沟道层，5是AlN插入层，6是势垒层，7是二维电子气，8是数据[f,R]，9是模型R_stress(f)，10是数据[d_AlN,R']，11是模型R_relative(d_AlN)，12是二维电子气目标设计值，13是与二维电子气目标设计值12对应水平线相切的曲线，14是切点。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1~4所示，一种高可靠AlGaN/GaN异质结构的设计方法，设计步骤依次包括如下：

a）在衬底（1）上依次生长成核层（2），缓冲层（3），沟道层（4），AlN插入层（5），AlGaN势垒层（6），在AlN/GaN界面形成二维电子气（7）；

b)当AlN插入层（5）厚度d_AlN=0,保持材料其它参数不变，改变AlGaN势垒层（6）中Al组分x（0.1≤x≤0.4），生长一系列AlGaN/GaN异质结构材料，样本数量≥3；计算AlGaN势垒层应变f=0.077x/3.189，统计AlGaN势垒层应变f和二维电子气面密度实测结果n_s；

c）基于常规异质结能带和二维电子气面密度计算方法，对样本进行计算，调节AlGaN势垒层（6）的弛豫度R使计算的二维电子气面密度与实测结果相等，获得一组AlGaN势垒层应变f和应变弛豫度R对应关系的数据[f,R]（8）；基于上述数据[f,R]（8），采用函数曲线拟合法,建立以AlGaN势垒层应变f为自变量、应变弛豫度R_stress为因变量的关系模型R_stress(f)（9）；

d)当AlGaN势垒层（6）中Al组分x≤0.2,保持材料其它参数不变，改变AlN插入层（5）厚度d_AlN（0nm≤d_AlN≤1nm），生长一系列AlGaN/AlN/GaN异质结构，样本数量≥3，统计AlN插入层厚度、二维电子气面密度实测结果n_s；

e）基于常规异质结能带和二维电子气面密度计算方法，对样本进行计算，调节Al_xGa_1-xN势垒层的弛豫度R使计算的二维电子气面密度与实测结果相等，获得一组AlN插入层厚度d_AlN和AlGaN势垒层弛豫度R'对应关系的数据[d_AlN,R']（10）；基于上述数据[d_AlN,R']（10），采用函数曲线拟合法,建立以AlN插入层厚度d_AlN为自变量、AlGaN势垒层相对弛豫度R_relative为因变量的关系模型R_relative(d_AlN)（11）；

f）当AlN插入层（5）厚度d_AlN>0时，计算AlGaN势垒层（6）应变,其中x为AlGaN势垒层Al组分，R_relative为势垒层相对弛豫度；由于AlGaN势垒层应变f为Al组分x和相对弛豫度R_relative的函数，而R_relative为AlN厚度d_AlN的函数，所以AlGaN势垒层应变弛豫度R_stress为Al组分x和AlN厚度d_AlN函数，即R_stress(f)=R_stress(x,R_relative)=R_stress(x,d_AlN)；

g）AlGaN势垒层总弛豫度R_total＝AlGaN势垒层相对弛豫度R_relative(d_AlN)+应变弛豫度R_stress(x,d_AlN),将AlGaN势垒层总弛豫度R_total纳入到常规异质结能带和二维电子气面密度计算当中，计算不同Al组分x和AlN厚度d_AlN的二维电子气面密度曲线，其中横坐标为AlN插入层厚度d_AlN，纵坐标为二维电子气面密度n_s，x为参量；

h）针对器件研制所需的二维电子气面密度目标设计值（12），选择与该设计值水平线相切的那条二维电子气面密度随AlN插入层厚度的变化曲线（13），获得曲线（13）对应的AlGaN势垒层Al组分x₀，以及切点（14）的横坐标d_AlN0，即为最优材料参数，此时材料结构的弛豫度最低。

所述势垒层（6）厚度d_AlGaN为5nm≤d_AlGaN≤30nm。

所述Al_yGa_1-yN缓冲层（3）中的Al组分y为0≤y≤0.08，厚度为。

所述衬底（1）包括SiC、蓝宝石、Si或GaN。

所述常规异质结能带和二维电子气面密度计算方法包括自洽求解薛定谔方程和泊松方程以及仅求解泊松方程的方法。

所述采用的曲线拟合方法，拟合函数为线性、多项式、指数、或对数形式的一种或几种。

实施例:

a)在SiC衬底1上依次生长AlN成核层2、1μmGaN缓冲层3、200nmGaN沟道层4、AlN插入层5、不掺杂20nm厚AlGaN势垒层6，构成GaNHEMT异质结构，异质界面形成二维电子气7;

b)保持材料其它参数不变，设AlN插入层厚度d_AlN=0，改变AlGaN势垒层中的Al组分x为0.1、0.15、0.2、0.25、0.3,利用f=0.077x/3.189计算AlGaN中的应变得到f₁、f₂、f₃、f₄、f₅,测量其二维电子气面密度n₁、n₂、n₃、n₄、n₅;

c)采用常规自洽求解薛定谔方程和泊松方程的方法，以AlGaN势垒层6中的弛豫度R为可调参数，使得计算结果与实验结果相同，得到R₁、R₂、R₃、R₄、R₅,采用式

上述数据[f,R]8进行拟合，得到以AlGaN势垒层应变f为自变量、应变弛豫度R_stress为因变量的函数关系R_stress(f)9，其中参数A=500,B=8000,C=1.25×10^-4，如图2所示；

d)固定AlGaN势垒层中Al组分x为0.2,同时材料其它参数不变，改变AlN插入层厚度为0.2、0.4、0.6、0.8、1.0,测量其二维电子气面密度、、、、;

e)采用常规自洽求解薛定谔方程和泊松方程的方法，以AlGaN势垒层6中的弛豫度R为可调参数，使得计算结果与实验结果相同，得到、、、、,采用式

AlN插入层厚度d_AlN和AlGaN势垒层弛豫度R'对应关系的数据[d_AlN,R']10进行拟合，得到以AlN插入层厚度d_AlN为自变量、AlGaN势垒层相对弛豫度R_relative为因变量的函数R_relative(d_AlN)11，其中参数x_sub＝0.15，x＝0.2为AlGaN势垒层6中的Al组分，如图3所示；

f）当AlN插入层（5）厚度d_AlN>0时，AlGaN势垒层（6）的应变为,其中x为AlGaN势垒层Al组分;

g)AlGaN势垒层总弛豫度R_total=R_relative+R_stress,将其代入到自洽求解薛定谔方程和泊松方程中，计算二维电子气面密度随AlN插入层厚度和AlGaN势垒层中Al组分的变化关系，如图4所示；

h)设器件研制所需二维电子气面密度目标设计值12为9.8×10¹²cm^-2,则选取与目标设计值12对应的水平线相切的那根二维电子气面密度n_s随AlN插入层厚度d_AlN变化曲线13，获得该曲线13对应的AlGaN势垒层中Al组分x₀=0.25，以及切点14的横坐标，即AlN插入层厚度d_AlN0=0.51，此时势垒层弛豫度最小，材料可靠性最高；

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。