高阻緩沖層與高遷移率GaN基HEMT材料生長研究.pdf

1、以GaN為代表的第三代(寬禁帶)半導體材料因其禁帶寬度大、擊穿場強高、熱導率高、耐腐蝕和抗輻照等優(yōu)勢，特別是GaN異質結構具有高密度和高遷移率的二維電子氣，被譽為是研制微波功率器件的理想材料。近年來，隨著外延技術的不斷進步，GaN外延材料的結晶質量也逐步提升，加上器件制造工藝的不斷成熟，AlGaN/GaN HEMT器件性能不斷提高。不過仍然存在一些關鍵問題制約器件性能與可靠性，如GaN緩沖層漏電問題和最佳異質結構問題。GaN緩沖層漏電直

2、接使得器件的夾斷特性變差，器件擊穿電壓不高，將嚴重降低器件的功率特性；GaN異質結構參數(shù)的優(yōu)化問題也很嚴重。它們都與器件工作特性息息相關。
　　 本文首先從GaN緩沖層中雜質分布研究出發(fā)，分析認為緩沖層漏電可分為兩種情況，一種是聚集有極高濃度載流子的掩埋電荷層，另一種是分布在整個GaN緩沖層中的背景載流子。在通過采用優(yōu)化條件的HT-AlN成核層生長后，實現(xiàn)了將襯底中氧雜質的擴散抑制在了3D成核島中，并且背景載流子濃度也控制在了1

3、014cm-3量級。然而，GaN基微波功率器件工作時結溫一般超過150℃，在這種情況下，GaN材料會本征激發(fā)出大量的背景電子，另外，工作在負柵壓下的GaN基HEMT器件溝道中二維電子也會大量溢出至GaN緩沖層中，這都會嚴重影響GaN緩沖層的高阻特性。這時，需要通過適量的Fe摻雜在GaN緩沖層中形成深能級陷阱來束縛住這些背景載流子，以保證GaN基器件在工作時緩沖層仍然為高阻態(tài)。
　　其次，本文通過分析GaN材料中存在的多種散射機制

4、對溝道二維電子輸運特性的影響，認為在GaN基HEMT器件正常工作的情況下，影響2DEG遷移率的主要散射機制為合金無序散射、界面粗糙度散射以及位錯散射。本文中主要從優(yōu)化常規(guī)的AlGaN/GaN異質結構著手來實現(xiàn)更高的溝道2DEG遷移率。通過對AlN插入層、AlGaN勢壘層以及GaN帽層的優(yōu)化，分析溝道2DEG濃度與遷移率的函數(shù)關系，來降低由合金無序散射和界面粗糙度散射對遷移率的限制作用，并最終實現(xiàn)器件性能的提升。再次，GaN材料作為一種極

5、性半導體材料，溝道中二維電子與勢壘層應變程度直接相關。而GaN外延層中殘留大量應力時對器件的長期可靠性是極為不利的，受逆壓電效應的作用，存有應力的GaN器件在高偏壓工作時容易導致無法修復的損傷。
　　 最后，從成本以及材料的利用率來講，GaN材料必然會向著大直徑化的方向發(fā)展，通過對自主研發(fā)的MOCVD320系統(tǒng)結構的改進，成功的實現(xiàn)了在3、4inch藍寶石和碳化硅襯底上高質量的GaN薄膜外延，整個外延片也具有較好的均勻性，基于此