高性能AlGaN-GaN異質(zhì)結(jié)材料的MOCVD生長與特性研究.pdf

1、由于AlN材料和GaN材料之間2.78 eV的導(dǎo)帶斷續(xù)以及Ⅲ族氮化物材料所具有的較強(qiáng)的極化效應(yīng)，當(dāng)AlGaN和GaN形成異質(zhì)結(jié)材料時，在其界面處會出現(xiàn)高密度的二維電子氣(2DEG)。因?yàn)?DEG遠(yuǎn)離離化電荷中心，所以它們屏蔽了離化雜質(zhì)散射而具有相當(dāng)高的遷移率，這使得AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)成為研制高電子遷移率晶體管(HEMTs)的理想材料。為了提高AlGaN/GaN HEMTs的導(dǎo)電能力，必須提高AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)材料的2DEG面

2、密度和遷移率的乘積。通過增加AlGaN勢壘層的Al摩爾組分可達(dá)到這一目的，但是，當(dāng)Al摩爾組分過高，合金無序散射和界面粗糙度散射就會顯著提高，從而造成2DEG遷移率顯著減小，反而降低了2DEG面密度和遷移率的乘積。AlN插入層技術(shù)的出現(xiàn)打開了提高AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)導(dǎo)電能力的瓶頸，有效地解決了這一問題。
　　 本文從反應(yīng)室結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)開始，深入地研究了生長條件對GaN材料質(zhì)量、電學(xué)和光學(xué)特性的影響，系統(tǒng)地研究了AlN插入層生長

3、條件對GaN外延材料和AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)材料結(jié)構(gòu)、電學(xué)和光學(xué)特性的影響，獲得了高質(zhì)量的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)材料。采用有限元分析軟件ANSYS對金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相淀積(MOCVD)系統(tǒng)反應(yīng)室內(nèi)的溫度場和氣流場進(jìn)行了模擬仿真，以此為基礎(chǔ)改進(jìn)了MOCVD反應(yīng)室的噴淋頭結(jié)構(gòu)，并在新的噴淋頭結(jié)構(gòu)下生長了多個批次的GaN材料。研究發(fā)現(xiàn)采用新的噴淋頭生長GaN薄膜具有三個優(yōu)點(diǎn)：⑴有效地節(jié)約了MOCVD生長所需的原材料；⑵改善了GaN外延

4、層的表面形貌；⑶改善了GaN外延薄膜厚度的均勻性。深入地研究了MOCVD工藝中最重要的生長條件之一----生長壓強(qiáng)對GaN薄膜生長速率、表面形貌和結(jié)晶質(zhì)量的影響。研究結(jié)果表明，生長壓強(qiáng)對初始高溫GaN成核島的形核生長有著重要的影響作用，采用高的生長壓強(qiáng)降低了GaN薄膜的生長速率，并使薄膜表面粗化，但是卻可以通過較少GaN材料中的線位錯而顯著提高材料的結(jié)晶質(zhì)量。此外，對不同壓強(qiáng)下生長的GaN樣品電學(xué)特性的測量表明：提高薄膜的結(jié)晶質(zhì)量是提高

5、遷移率的關(guān)鍵。研究采用C-V法和Hall法測量AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)材料的2DEG面密度，發(fā)現(xiàn)Hall法得到的2DEG面密度值大于C-V法得到的值，經(jīng)分析認(rèn)為，一方面，肖特基金屬淀積在AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)材料上，改變了AlGaN勢壘層的表面狀態(tài)，使得一部分2DEG電子被抽取到空的施主表面態(tài)中，從而減小了AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面勢阱中的2DEG濃度；另一方面，由于C-V測量本身精確度受到串聯(lián)電阻效應(yīng)的影響，使得測量電容小于實(shí)際電

6、容，從而低估了GaN緩沖層中的背景載流子濃度。深入研究了AlN插入層對GaN材料結(jié)構(gòu)特性和應(yīng)力特性的影響。與常規(guī)GaN外延層相比，AlN插入層的引入可以減少GaN外延層表面的黑點(diǎn)缺陷，改善GaN外延層的表面形貌，而且隨著AlN插入層生長溫度的降低，GaN材料表面粗糙度逐漸減小。通過光致發(fā)光譜測量和拉曼散射測量發(fā)現(xiàn)AlN插入層的引入增加了GaN外延層的壓應(yīng)力，而且隨著AlN插入層生長溫度的提高，GaN層受到的壓應(yīng)力逐漸增加。通過X射線衍射

7、直接測量了GaN外延層中的應(yīng)力大小，并與Raman散射實(shí)驗(yàn)相比較，表明該應(yīng)力使得Raman散射E2聲子發(fā)生線性頻移。生長了不同溫度AlN插入層的GaN外延材料和AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)材料。研究發(fā)現(xiàn)，采用AlN插入層的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)材料表面比沒有插入層的常規(guī)異質(zhì)結(jié)材料表面具有更少的黑點(diǎn)缺陷。進(jìn)一步研究表明AlN插入層的采用雖然不能改變GaN外延材料和AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)材料的結(jié)晶質(zhì)量，但是卻能提高AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)材

8、料的2DEG面密度和遷移率。這是由于AlN插入層增加了GaN層的壓應(yīng)力，增強(qiáng)了GaN層的壓電極化電場，從而提高了2DEG面密度；同時AlN插入層減弱了AlGaN勢壘層的馳豫度，改善了AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面特性，因此，通過減弱AlGaN/GaN界面粗糙度散射從而提高了2DEG遷移率。研制了柵長為1μm的AlGaN/GaN HEMTs器件。研究發(fā)現(xiàn)，帶有高溫AlN插入層的AlGaN/GaN HEMTs器件比常規(guī)HEMTs器件表現(xiàn)出更加