Ⅲ族氮化物高质量外延材料及其新型功率器件研究

作者：肖明

来源：博士, 西安电子科技大学, 2018.

• 横向异质外延过生长
• 图形化
• 高电子迁移率晶体管
• 表面氧化
• AlN势垒
• AlN/GaN超晶格
• AlGaN沟道

以GaN为代表的Ⅲ族氮化物半导体材料已经开始广泛应用于发光器件和电子器件,这都得益于氮化物材料外延技术的进步和器件结构及其工艺的不断发展成熟。然而目前的氮化物半导体材料缺陷密度仍然非常高,严重影响器件的性能与可靠性,因此进一步提高氮化物半导体材料的质量仍然是国际上最重要的难题之一。为此,本文针对GaN、AlGaN、AlN等Ⅲ族氮化物半导体材料及其功率器件的缺陷抑制和性能提升开展了深入研究。主要研究内容包括:高质量GaN异质外延材料的制备、高质量AlGaN异质外延材料的制备、高质量AlN/GaN超晶格材料外延和特性研究、异质结构表面氧化处理工艺研究、高性能AlN/GaN增强型器件制备和性能分析、高性能AlGaN沟道HEMT器件研究以及AlGaN沟道HEMT器件的可靠性研究等。主要的研究工作和研究成果如下:1、研究了硅微纳球单层薄膜作为位错阻挡掩膜在氮化物材料异质外延中的应用方法,深入研究了氧化硅微纳球单层薄膜的制备方法以及各个工艺参数对薄膜质量的影响规律,创新性地引入了聚苯乙烯过渡层,显著改善了衬底的表面亲水性和微纳球单层的排布,获得了一套均匀覆盖性好的微纳球单层制备工艺。2、提出了一种新型低位错GaN异质外延方法,即半接触式横向异质外延过生长。创新性地在过生长区引入了接触窗口,利用其与种子层接触来修正过生长翼区的晶向,从而消除翼倾和降低位错,并深入分析了其位错降低机制。同时发展出两种具体工艺实现方法,即基于光刻的实现方法和无需光刻的氧化硅微球单层的实现方法。最终,利用1μm的氧化硅微球单层获得了位错密度低至6.5×107 cm-2的GaN异质外延材料。3、提出了一种新型AlGaN异质外延方法,即梯形图形化GaN基底（TPGTs）上高质量AlGaN外延。通过选区生长方法获得低位错密度的梯形图形化GaN基底,并在其上通过超短周期AlN/GaN超晶格结构来外延高质量的AlGaN材料。该方法不仅有效降低了位错密度,还大大提高了AlGaN的横纵生长速率比,松弛了失配应力,并抑制了外延层的开裂。最终,对于27.8%Al组分的AlGaN,采用TPGTs基底相比采用传统平面GaN基底,AlGaN异质外延层的位错密度从2×109 cm-2降低到了2×108cm-2,获得了高达4.79的横纵生长速率比,这对于该Al组分下的AlGaN材料是一个非常高的横纵生长速率比。4、研究了GaN异质结构中的表面自然氧化和氧等离子体氧化引入的表面态对于2DEG的影响。在此基础上,提出了一种基于低功率氧等离子处理来改变表面态密度分布并提高表面势,从而控制沟道2DEG面密度的方法。通过短时间和低功率的处理条件下,不会破坏有GaN帽层保护的异质结构的势垒层。该方法在AlN为代表的超薄势垒异质结构中显示出较高的应用价值。5、发展出了一种基于低功率氧等离子处理的高性能AlN/GaN增强型HEMT器件实现方法。并详细研究了器件的制备工艺,分析了器件的基本特性和陷阱效应。该器件显示出正的阈值电压（+0.2 V）、高达1.36 A/mm的最大漏电流、低至2.6×10-7A/mm的关态电流、低至70 mV/dec的亚阈值摆幅和低陷阱效应等高器件性能。而且,经过低功率氧等离子体处理的器件,栅极漏电比未处理器件降低了1至2个数量级。6、理论研究了AlN/GaN超晶格材料的基本特性,包括击穿场强及其异质结构的2DEG低电场电子迁移率。结果显示,AlN/GaN超晶格AlGaN材料与同Al组分合金AlGaN材料相比,具有较低的击穿场强、更高的2DEG低电场电子迁移率和近乎相同的2DEG面密度。然后,讨论了应变状态对于合金AlGaN沟道和AlN/GaN超晶格沟道HEMT 2DEG特性的影响。结果显示,应变状态对于AlN/GaN超晶格沟道和合金AlGaN沟道HEMT 2DEG的面密度和电子迁移率影响较小。最后,基于上述理论分析,对AlN/GaN超晶格材料的异质结构进行设计,并对高质量的AlGaN沟道和AlN/GaN超晶格沟道异质结构的外延进行研究。提出了一种基于缓变Al组分缓冲层的AlN/GaN超晶格沟道HEMT异质结构,并基于该结构外延得到了具有高电子迁移率和高2DEG面密度的高性能异质结构。7、开发出一种高性能的合金AlGaN沟道HEMT器件实现方法,并且器件的多项性能超过AlGaN沟道HEMT已有报道的最好结果,如849 mA/mm的最大漏电流、807 cm2/V·s的电子迁移率和高达109的开关比。结果显示,该器件不仅大大缩小了AlGaN沟道HEMT器件与传统GaN沟道HEMT器件之间的基本性能差距,而且该AlGaN沟道HEMT器件在栅漏电、关态漏电流、开关比和击穿电压等方面表现出比GaN沟道HEMT器件更加优良的特性。因此,AlGaN沟道HEMT器件在大功率电力电子器件中显示出良好的应用前景。8、提出了一种高性能的超晶格AlGaN沟道HEMT器件结构,该器件利用AlN/GaN超晶格Al0.10Ga0.90N代替传统的合金Al0.10Ga0.90N作为HEMT器件的沟道层,这也是国际上首个氮化物超晶格沟道HEMT器件。由于AlN/GaN超晶格AlGaN在很大程度提高了AlGaN材料的合金有序性,因此降低了对沟道电子的合金无序散射,从而沟道电子迁移率从807 cm2/V·s提高到了1179 cm2/V·s。因此,超晶格AlGaN沟道HEMT器件相比合金AlGaN沟道HEMT器件,最大漏电流（1020 mA/mm）和峰值跨导（118 mS/mm）等特性有明显的提高,另外其它特性与后者相似。

• 出版日期2018
• 单位西安电子科技大学