AlGaN/GaN HEMT材料的高溫MOCVD生長(zhǎng)研究

陳峰武，鞏小亮，羅才旺，程文進(jìn)，魏 唯，鮑 蘋

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410111)

第三代半導(dǎo)體材料GaN由于其禁帶寬度大、耐高壓、耐高溫、抗輻射、電子遷移速率高、易于形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)等，是制造高溫、高頻、高效、大功率、抗輻射微波電子器件和電路的理想材料。高頻大功率GaN基高電子遷移率晶體管在相控陣?yán)走_(dá)、電子對(duì)抗、5G通訊、汽車電子等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，已成為目前國(guó)際學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)[1-3]。

目前，AlGaN/GaN HEMT的研究和應(yīng)用取得了很多突破性的進(jìn)展，但仍然面臨著不少難題，例如外延材料的缺陷和雜質(zhì)問題、歐姆接觸問題、表面鈍化問題、器件的穩(wěn)定性和可靠性問題等[4]。其中外延材料的缺陷和雜質(zhì)問題主要是由于缺乏同質(zhì)襯底。為了彌補(bǔ)同質(zhì)襯底的缺失，目前Al-GaN/GaN HEMT結(jié)構(gòu)材料的生長(zhǎng)一般在異質(zhì)襯底上進(jìn)行。常用的異質(zhì)襯底有藍(lán)寶石、碳化硅和硅。藍(lán)寶石襯底由于生產(chǎn)技術(shù)成熟、機(jī)械強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，已成為目前最常用的襯底材料，但其也存在導(dǎo)熱性能差、與GaN的晶格失配和熱失配大（分別為14%和35%）的問題；硅襯底具有成本低廉、尺寸大、導(dǎo)電性能好的優(yōu)點(diǎn)，是未來低成本器件制造的一種重要候選襯底，但是同樣存在與GaN的晶格失配和熱失配過大（分別為17%和56%）導(dǎo)致外延層翹曲和開裂等問題。碳化硅襯底由于具備與GaN最小的晶格失配和熱失配度（分別為3.5%和18%），導(dǎo)熱性能優(yōu)異等特點(diǎn)，是目前高頻大功率AlGaN/GaN HEMT器件最合適的襯底材料[5]。

高電子遷移率AlGaN/GaN HEMT的研制一直是AlGaN/GaN基射頻微波器件的發(fā)展方向。要提高二維電子氣的遷移率，需要制備高質(zhì)量的GaN溝道層和AlGaN勢(shì)壘層。其中AlGaN勢(shì)壘層中Al組分的含量、勢(shì)壘層厚度、是否調(diào)制摻雜、晶體質(zhì)量等對(duì)HEMT結(jié)構(gòu)材料和器件性能的影響很大。增加AlGaN中Al含量提高了勢(shì)壘高度因此提供對(duì)高密度二維電子氣更好的限制。此外更寬的帶隙還使擊穿電場(chǎng)增加，這對(duì)高功率操作是必不可少的。然而由于在生長(zhǎng)表面的Al難以移動(dòng)，使得高質(zhì)量的AlGaN生長(zhǎng)困難并且使界面質(zhì)量下降[6]。高溫MOCVD技術(shù)能夠改善AlGaN的晶體質(zhì)量和表面質(zhì)量，將對(duì)提高AlGaN/GaN HEMT的性能起到有益的作用。

本文采用中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所自主研制的高溫MOCVD設(shè)備，在SiC襯底進(jìn)行AlGaN/GaN HEMT結(jié)構(gòu)材料的生長(zhǎng)。高溫MOCVD有著比普通MOCVD更高的晶片加熱溫度以及更低的工作氣壓和Ⅴ/Ⅲ比，因而更有利于高質(zhì)量AlGaN材料的制備。本文通過高溫MOCVD外延生長(zhǎng)技術(shù)改善了AlGaN勢(shì)壘層、AlN插入層的晶體質(zhì)量和表面質(zhì)量，從而獲得了較高二維電子氣遷移率的AlGaN/GaN HEMT結(jié)構(gòu)材料。

1 試驗(yàn)

本文采用在中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所自主研制的高溫MOCVD設(shè)備上生長(zhǎng)Al-GaN/GaN HEMT結(jié)構(gòu)材料。該高溫MOCVD設(shè)備是針對(duì)高Al組分AlGaN材料、AlN材料及器件發(fā)展需求而研發(fā)出的一款設(shè)備，具有加熱溫度高、控溫精度好、反應(yīng)室壓力和V/Ⅲ比調(diào)控范圍寬、顆粒物少等優(yōu)點(diǎn)。高溫MOCVD每次能生長(zhǎng)6片75 mm（或4片100 mm），反應(yīng)室配備了高溫原位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析外延生長(zhǎng)速率、襯底表面溫度、反射率等。實(shí)驗(yàn)中，以三甲基鋁（TMAl）、三甲基鎵（TMGa）和氨氣（NH3）分別為Al源、Ga源和N源，利用氫氣和氮?dú)獾幕旌蠚怏w作為載氣。

采用的AlGaN/GaN HEMT外延生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。襯底為75 mm 4H半絕緣SiC襯底。在生長(zhǎng)工藝上，首先在半絕緣SiC襯底上生長(zhǎng)50 nm的AlN形核層，然后生長(zhǎng)2 μm厚的非故意摻雜高阻GaN緩沖層，接著生長(zhǎng)2 μm厚的非故意摻雜高遷移率GaN溝道層，最后高溫外延生長(zhǎng)1.5 nm厚的AlN插入層和20 nm厚的非故意摻雜Al-GaN勢(shì)壘層。采用三步生長(zhǎng)法來進(jìn)行GaN溝道層的外延生長(zhǎng)，可以實(shí)現(xiàn)GaN溝道層的二維層狀生長(zhǎng)，從而可獲得高表面平整度和晶體質(zhì)量的GaN溝道層；采用高溫外延生長(zhǎng)工藝（高生長(zhǎng)溫度、低生長(zhǎng)氣壓和低Ⅴ/Ⅲ比）提高Al原子的表面遷移率，降低Al源與N源之間的氣相預(yù)反應(yīng)，提高AlGaN勢(shì)壘層、AlN插入層的晶體質(zhì)量和表面質(zhì)量；通過TMA流量和TMA/TMG流量比控制Al-GaN材料中Al組分。

圖1 SiC襯底AlGaN/GaN HEMT外延生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)

外延片晶體質(zhì)量和Al組分含量采用高分辨X射線衍射儀（Bruker D8 Discover）測(cè)量，使用的射線源為 Cu Kα1(λ=0.154 06 nm)；外延片的室溫二維電子遷移率和濃度、方阻不均勻性采用Hall效應(yīng)測(cè)試儀（Nanometrics HL5500PC）進(jìn)行測(cè)量；樣品的表面微觀形貌和表面粗糙度采用掃描探針顯微鏡（NT-MDT Solver-Pro）進(jìn)行測(cè)量。

2 結(jié)果及分析

2.1 晶體質(zhì)量及Al組分含量分析

采用高分辨X射線衍射儀對(duì)AlGaN/AlN/GaN HEMT結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行2θ-ω掃描，掃描曲線如圖2所示。掃描曲線顯示材料結(jié)晶完整，GaN（002）、AlGaN（002）以及 SiC（006）3 個(gè)衍射峰從左向右依次出現(xiàn)在圖中。X射線衍射搖擺曲線半高寬是表征材料結(jié)晶質(zhì)量的重要參數(shù)，圖2給出了SiC襯底AlGaN/GaNHEMT外延結(jié)構(gòu)材料的ω掃描搖擺曲線測(cè)試結(jié)果，從圖2中可以看出，SiC襯底上GaN材料的（002）面搖擺曲線半高寬為160.9弧秒，（102）面搖擺曲線半高寬為224.3弧秒，均優(yōu)于在藍(lán)寶石襯底上的生長(zhǎng)結(jié)果。這表明采用晶格更加匹配的SiC襯底，結(jié)合三步法外延生長(zhǎng)工藝，可顯著提高AlGaN/GaN HEMT外延結(jié)構(gòu)中GaN溝道層的晶體質(zhì)量。

此外，利用德國(guó)布魯克D8 DISCOVER高分辨衍射儀的組分分析功能，對(duì)圖2中的2θ-ω掃描曲線進(jìn)行擬合分析，可得出擬合曲線如圖3所示。由擬合結(jié)果得出，AlGaN材料Al組分含量為22.7%，AlGaN層的厚度為19.4 nm，與設(shè)計(jì)值相符合。為了測(cè)試AlGaN外延薄膜Al組分不均勻性，選取了AlGaN/GaN HEMT外延片中心及邊緣區(qū)域5個(gè)位置進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量結(jié)果分別為：24.05%、23.69%、22.73%、23.51%、22.87%，經(jīng)計(jì)算，AlGaN外延薄膜Al組分不均勻性為2.39%。

圖 2 SiC襯底AlGaN/GaN HEMT外延材料材2θ-ω掃描曲線

2.2 電學(xué)性能分析

圖3給出了半絕緣4H-SiC襯底AlGaN/GaN HEMT結(jié)構(gòu)霍爾測(cè)量的典型結(jié)果。從圖中可以看出，室溫二維電子遷移率和載流子濃度分別為2 040 cm2/V·s和 6.15×1012cm-2，每方塊電阻值為497 Ω，表明基于高溫MOCVD設(shè)備制備的Al-GaN/GaN HEMT結(jié)構(gòu)材料具有優(yōu)異的二維電子氣輸運(yùn)性能。

圖3 AlGaN/GaN HEMT外延材料材中GaN的晶體質(zhì)量測(cè)試結(jié)果

圖4 AlGaN/GaN HEMT外延材料材中AlGaN材料的Al組分?jǐn)M合分析

進(jìn)一步，對(duì)AlGaN/GaN HEMT外延片方塊電阻的片內(nèi)及片間均勻性進(jìn)行了Hall測(cè)試，選取了同一爐的4片外延片，每片外延片測(cè)試5個(gè)點(diǎn)，選點(diǎn)規(guī)則與測(cè)試AlGaN材料Al組分不均勻性一樣，測(cè)試結(jié)果如表1所示。經(jīng)計(jì)算，Al-GaN/GaN HEMT外延片方塊電阻的片內(nèi)不均勻性最大值為2.82%，方塊電阻的片間不均勻性為3.92%。

圖4 AlGaN/GaN HEMT外延材料Hall測(cè)量結(jié)果

表1 AlGaN/GaN HEMT外延片方塊電阻的片內(nèi)及片間均勻性測(cè)試

2.3 表面形貌分析

采用AFM技術(shù)對(duì)AlGaN/GaN HEMT結(jié)構(gòu)材料的表面形貌進(jìn)行了測(cè)試，掃描面積為5 μm×5 μm，結(jié)果如圖6所示。從圖6中可以看出，Al-GaN/GaN HEMT結(jié)構(gòu)材料表面呈現(xiàn)出臺(tái)階流生長(zhǎng)模式，表面均方根粗糙度值為0.95 nm。

圖6 AlGaN/GaN HEMT外延片表面的AFM形貌圖

3 結(jié) 論

本文采用自主研制的高溫MOCVD設(shè)備進(jìn)行了AlGaN/GaN HEMT結(jié)構(gòu)材料的生長(zhǎng)。采用三步法進(jìn)行了非摻雜GaN溝道層的生長(zhǎng)，其高分辨X射線（002）和（102）面搖擺曲線半高寬分別為160.9弧秒和224.3弧秒，說明GaN溝道層具有較高的晶體質(zhì)量。采用高溫外延生長(zhǎng)工藝進(jìn)行了AlGaN勢(shì)壘層和AlN插入層的生長(zhǎng)，測(cè)試結(jié)果表明，AlGaN的Al組分和厚度分別為22.7%和19.4 nm，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求；AlGaN材料表面呈現(xiàn)出臺(tái)階流生長(zhǎng)模式，表面粗糙度為0.95 nm；異質(zhì)結(jié)室溫二維電子遷移率和濃度分別為2 040 cm2/V·s和6.15×1012cm-2，說明 Al-GaN/GaN異質(zhì)結(jié)具有較高的二維電子氣輸運(yùn)性能。AlGaN材料的Al組分不均勻性為2.39%，外延片方阻不均勻性最大值為2.82%，說明高溫MOCVD設(shè)備具備良好的均勻性控制能力。研究結(jié)果表明，采用國(guó)產(chǎn)高溫MOCVD設(shè)備能夠制備出晶體質(zhì)量、均勻性較好的AlGaN/GaN HEMT結(jié)構(gòu)材料，可為我國(guó)高電子遷移率AlGaN/GaN HEMT的科研生產(chǎn)發(fā)揮積極作用。