高阻缓冲层与高迁移率GaN基HEMT材料生长研究

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 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