大尺寸硅襯底GaN基HEMT外延生長(zhǎng)研究.pdf

1、自1993年第一支GaN基電子器件發(fā)明以來(lái)，以 AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)為核心的高電子遷移率晶體管在近二十年內(nèi)得到了快速發(fā)展。然而，目前 GaN基電子器件成本高昂，市場(chǎng)空間較小，相比于GaN基LED器件，還遠(yuǎn)談不上成功，而基于大尺寸硅襯底外延GaN基HEMT是降低器件成本擴(kuò)大市場(chǎng)應(yīng)用的重要途徑之一。硅襯底成本低廉，大尺寸制備容易，熱導(dǎo)率良好以及可與傳統(tǒng)硅工藝相兼容，使其成為HEMT外延生長(zhǎng)的首選襯底。但是GaN與Si(111)襯底之間巨

2、大的晶格失配和熱失配會(huì)導(dǎo)致GaN薄膜位錯(cuò)密度高、翹曲大以及容易龜裂，使得GaN電子器件制備困難，限制了GaN基HEMT器件的廣泛應(yīng)用。
　　為了提高硅襯底上 HEMT材料質(zhì)量，使其滿足高性能器件制備的要求，本論文主要圍繞 HEMT外延生長(zhǎng)中緩沖層設(shè)計(jì)、應(yīng)力控制層設(shè)計(jì)、翹曲控制、高阻層設(shè)計(jì)和AlGaN/GaN/Ga(Al)N源區(qū)設(shè)計(jì)等方面開(kāi)展研究工作，取得的主要成果如下：
　　對(duì)于AlN緩沖層外延生長(zhǎng)，分別研究了硅襯底熱處理時(shí)

3、間、預(yù)鋪TMAl時(shí)間、同溫/雙溫生長(zhǎng)以及 AlN厚度對(duì)薄膜形貌和晶體質(zhì)量的影響，發(fā)現(xiàn)襯底熱處理最佳時(shí)長(zhǎng)約為5 min，并且熱處理過(guò)程中通入SiH4可以改善AlN表面形貌，最佳預(yù)鋪鋁時(shí)間為12-15 s，單溫生長(zhǎng)更適合AlN薄膜生長(zhǎng)，最優(yōu)AlN緩沖層厚度為~250 nm，對(duì)應(yīng)的薄膜(0002)面雙晶搖擺曲線半高寬為1014”。
　　對(duì)于應(yīng)力控制層設(shè)計(jì)，提出了兩層 AlGaN應(yīng)力控制層結(jié)構(gòu)，通過(guò)預(yù)先引入壓應(yīng)力，成功實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量無(wú)裂紋的

4、GaN薄膜外延生長(zhǎng)?；赥EM表征和Williamson-Hall測(cè)試方法，系統(tǒng)研究了外延層的馬賽克結(jié)構(gòu)演變過(guò)程，發(fā)現(xiàn) AlGaN應(yīng)力控制層不僅過(guò)濾大量位錯(cuò)，而且引入的壓應(yīng)力使得部分位錯(cuò)轉(zhuǎn)彎湮滅，最終才得以實(shí)現(xiàn)鏡面光滑無(wú)裂紋低位錯(cuò)密度的GaN薄膜，5μm×5μm區(qū)域RMS=0.31 nm，(0002)面和(1012)面雙晶搖擺曲線半高寬分別為305”和336”。
　　對(duì)于翹曲控制，詳細(xì)分析了硅上GaN外延生長(zhǎng)過(guò)程中應(yīng)變的演化機(jī)制，

5、硅上AlN生長(zhǎng)時(shí)受到輕微張應(yīng)力(0.66 GPa)，而AlGaN1和AlGaN2由于晶格失配分別受到較大的壓應(yīng)力(-3.57 GPa和-2.41 GPa)。由于GaN生長(zhǎng)初期存在3D轉(zhuǎn)2D的過(guò)程，在此過(guò)程中，“裂紋轉(zhuǎn)彎湮滅”會(huì)釋放部分壓應(yīng)力，“晶粒合并”會(huì)引入一定張應(yīng)力，最終降低了GaN薄膜所受的壓應(yīng)力(-0.75 GPa)。為降低GaN-on-Si翹曲高度，提出了兩種有效降低外延片翹曲的方案：增加硅襯底厚度以及減薄AlGaN/AlN層

6、厚度。
　　對(duì)于高阻層設(shè)計(jì)，首先建立了MOCVD生長(zhǎng)條件與碳濃度的量化函數(shù)關(guān)系，然后基于建立的生長(zhǎng)條件與碳濃度的函數(shù)關(guān)系，對(duì)比了 Ga(Al)N層中不同碳濃度(從~1016 cm-3分布到1019 cm-3)、不同鋁組分(0和7％)、不同厚度(從1.7μm到3.1μm)和不同類型硅襯底(n型和p型)對(duì)HEMT器件擊穿電壓的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用p型硅襯底以及在Al0.07Ga0.93N層中摻碳，可以獲得更高的關(guān)態(tài)擊穿電壓，最終成功制

7、備了擊穿電壓為1000 V@1μA/mm的器件。
　　對(duì)于AlGaN/GaN/Ga(Al)N異質(zhì)結(jié)設(shè)計(jì)，首先研究了AlGaN背勢(shì)壘層和GaN溝道層對(duì)材料電學(xué)性能的影響，然后理論計(jì)算結(jié)合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)分析了AlGaN/GaN中GaN溝道層、AlN插入層、AlGaN勢(shì)壘層和GaN帽層與HEMT電學(xué)性能的關(guān)系，提出采用Al0.07Ga0.93N背勢(shì)壘層和較厚的GaN溝道層(150 nm)，并通過(guò)降低溝道層中碳雜質(zhì)濃度<1017 cm-3、改善

8、界面形貌、減少合金散射和提高勢(shì)壘層質(zhì)量，可以大幅度改善HEMT電學(xué)性能，最終實(shí)現(xiàn)了遷移率μ=2094 cm2/Vs，二維電子氣密度ns=1.23×1013 cm-2，方塊電阻R□=243Ω的硅上GaN基HEMT材料外延生長(zhǎng)。
　　基于優(yōu)化的硅上HEMT外延生長(zhǎng)條件，分別在四英寸和六英寸硅襯底上外延生長(zhǎng)了高質(zhì)量AlGaN/GaN/Al0.07Ga0.93N HEMT外延結(jié)構(gòu)，外延片鏡面光滑無(wú)裂紋翹曲低，電學(xué)性能優(yōu)異(遷移率大于200