AlInN-GaN異質(zhì)結(jié)薄膜生長和雙溝道HEMT電學(xué)特性研究.pdf

1、Ⅲ-V族氮化物作為具有廣闊應(yīng)用前景的第三代半導(dǎo)體材料，近年來成為半導(dǎo)體光電子學(xué)和微電子學(xué)研究的熱點。在這些Ⅲ-V族氮化物中Al1-xInxN材料又成為這些研究中的一個重點。當(dāng)In含量為0.16～0.18時，AlInN與GaN形成晶格匹配的（LM）異質(zhì)結(jié)。由于無殘余應(yīng)力、強(qiáng)自發(fā)極化和高穩(wěn)定性等優(yōu)勢，LM AlInN/GaN異質(zhì)結(jié)在高電子遷移率管（HEMT）應(yīng)用中取得了優(yōu)異的成績。然而，LM AlInN/GaN HEMT在實際應(yīng)用中還存在電

2、子遷移率較低和跨導(dǎo)線性區(qū)較小等問題，同時AlInN薄膜的生長中也存在組分不均勻的問題。為了解決這些問題，本論文開展了 AlInN材料生長機(jī)制研究與晶體質(zhì)量優(yōu)化、新型 AlInN/GaN HEMT的設(shè)計和新型器件的性能分析三方面研究工作，為進(jìn)一步提高AlInN/GaN HEMT的電學(xué)特性提供了實驗和理論基礎(chǔ)。
　　本論文首先研究了在 GaN緩沖層上采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積（MOCVD）方法制備的AlInN薄膜中縱向組分不均勻現(xiàn)象的

3、產(chǎn)生機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，在 AlInN的生長初始階段形成的是高 Al組分的薄膜，導(dǎo)致 AlInN薄膜表面的In過量以至形成一些大小均勻的納米級 In滴。這些 In滴在材料生長過程中增加了表面瞬態(tài)In的濃度，進(jìn)而提高AlInN中In含量。在AlInN薄膜生長過程中，In滴密度呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，導(dǎo)致薄膜中In含量隨厚度產(chǎn)生相應(yīng)的波動。所以，MOCVD制備的AlInN薄膜中縱向組分不均勻現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是其表面In滴的影響。
　　為

4、了獲得組分均勻并且與GaN晶格匹配的AlInN薄膜，本論文又研究了生長條件對 In滴和AlInN晶體質(zhì)量的影響。通過優(yōu)化生長條件，降低生長速率，成功地抑制 In滴產(chǎn)生。以此為基礎(chǔ)繼續(xù)優(yōu)化生長條件，研究發(fā)現(xiàn)氫氣濃度和生長溫度的升高都會導(dǎo)致In結(jié)合效率的降低，增加Ⅴ/Ⅲ比會導(dǎo)致薄膜生長速率的下降，也會降低 In結(jié)合效率。隨著 In組分偏離0.18，AlInN材料的表面粗糙度和位錯密度迅速增加。最后，通過優(yōu)化生長條件，獲得當(dāng)生長溫度為790℃

5、，Ⅴ/Ⅲ(NH3:TMAl:TMIn)為500:20:200時，可以制備與GaN晶格匹配的高質(zhì)量AlInN薄膜。
　　本文在深入地研究了AlInN/GaN異質(zhì)結(jié)中電子運(yùn)動規(guī)律基礎(chǔ)上，設(shè)計了具有高電子遷移率、低面電阻和高面電阻均勻性的新型雙溝道 AlInN/GaN異質(zhì)結(jié)。在室溫條件下AlInN/GaN異質(zhì)結(jié)中限制高密度二維電子氣（2DEG）電子遷移率的主要因素是界面粗糙度散射和極化光學(xué)聲子散射，它們限制作用隨著溝道中2DEG面密度的

6、減小而減弱。為了提高電子遷移率，同時保持總的2DEG密度不變，本論文設(shè)計了一種新型雙溝道（D-C）AlInN/GaN HEMT，其結(jié)構(gòu)為 AlInN/AlN/GaN/AlN/GaN。這種異質(zhì)結(jié)中的2DEG分布在上下兩個電子溝道中，由于每個溝道中面電子密度的降低而電子遷移率的提高，所以導(dǎo)致 D-C AlInN/GaN異質(zhì)結(jié)同時具有高電子遷移和低面電子密度的雙重優(yōu)點。研究還發(fā)現(xiàn)，在傳統(tǒng)單溝道(S-C) AlInN/GaN異質(zhì)結(jié)中，AlN/G

7、aN異質(zhì)結(jié)界面平整度的不均勻影響了面電阻的大面積均勻性。然而，在 D-C AlInN/GaN異質(zhì)結(jié)中由于對2DEG空間分布的有效調(diào)控，減弱了界面粗糙的影響，從而獲得面電阻分布均勻的AlInN/GaN異質(zhì)結(jié)。最終經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，D-C AlInN/GaN異質(zhì)結(jié)的遷移率提高到1570cm2/Vs，面電阻降低到222?/sq，同時面電阻的標(biāo)準(zhǔn)偏差僅為0.7％。
　　利用前面材料生長技術(shù)，本論文制備了設(shè)計結(jié)構(gòu)的D-C AlInN/GaN H

8、EMT。結(jié)合器件的模擬和實驗結(jié)果，深入地分析了該器件的I-V特性。模擬結(jié)果顯示 D-C AlInN/GaN HEMT具有良好的柵可控性，在上下兩個溝道中上溝道中2DEG表現(xiàn)了更好的柵可控性。與S-C AlInN/GaN HEMT相比，D-C AlInN/GaN HEMT的跨導(dǎo)輸出特性可以出現(xiàn)兩個極值點，同時夾斷電壓絕對值也增大。實驗結(jié)果表明，D-C AlInN/GaN HEMT在柵極電壓為5V時，最大值輸出電流為980mA/mm。夾斷電

9、壓為-6.2V，并且顯示了很好的夾斷特性。在柵極電壓為-4V和-2V，分別出現(xiàn)了兩個跨導(dǎo)極大點。在未鈍化的D-C AlInN/GaN HEMT中，在大的柵極偏壓和漏極偏壓下，I-V輸出特性出現(xiàn)了明顯的電流崩塌。研究進(jìn)一步表明，上溝道對應(yīng)的輸出電流更易于產(chǎn)生電流崩塌，而下溝道對應(yīng)的輸出電流崩塌較小。
　　綜上所述，論文在成功制備高質(zhì)量LM AlInN/GaN薄膜的基礎(chǔ)上，設(shè)計和制備了D-C AlInN/GaN HEMT。D-C HE