雙AlN插入層法在Si圖形襯底上進行AlGaN/GaN HEMT的MOCVD生長

王勇，余乃林，王叢舜，劉紀(jì)美

（1.長春理工大學(xué) 高功率半導(dǎo)體激光國家重點實驗室，長春 130022；2香港科技大學(xué) 電子及計算機工程系 光電子中心，香港）

GaN基寬禁帶化合物半導(dǎo)體材料，被廣泛應(yīng)用于光電子器件，高功率微波器件及高溫電子器件等領(lǐng)域，并以其優(yōu)越的電子、機械及化學(xué)特性，在微機電系統(tǒng)（MEMS）領(lǐng)域引起了廣泛興趣［1-2］。GaN材料以其較寬的帶隙、大的彈性模量、高的壓電系數(shù)，以及好的化學(xué)穩(wěn)定性，已經(jīng)成為一種理想的用于環(huán)境探測的微傳感器［1-3］。AlGaN/GaN高遷移率晶體管（HEMT）由于其高的電子遷移率和高的擊穿電壓，在微波功率器件和微傳感器方面展示了優(yōu)越的特性。

降低HMET生產(chǎn)成本的方法之一是盡可能使用成熟的Si基技術(shù)。然而，和藍寶石、SiC襯底相比，在Si襯底上生長GaN薄膜面臨著巨大的挑戰(zhàn)，因為在GaN和Si之間存在著大的晶格失配和熱失配，尤其是56%的熱膨脹系數(shù)通常會導(dǎo)致Si襯底上生長的GaN薄膜在降溫時產(chǎn)生大量裂紋，這嚴(yán)重影響了器件的應(yīng)用［4-5］。另外，Si襯底上的不規(guī)則圖形也會使應(yīng)力狀態(tài)變差，導(dǎo)致更多裂紋的形成。

許多技術(shù)已經(jīng)被嘗試用來消除外延生長的GaN薄膜表面的裂紋。在Si襯底上制備規(guī)則方塊圖形，以及在GaN外延層中插入單AlN插入層法，可釋放張應(yīng)力，減少裂紋［6］。本文采用雙AlN插入層法，在Si（111）不規(guī)則圖形襯底上進行AlGaN/GaN HEMT的MOCVD外延生長，以減小應(yīng)力和消除GaN薄膜表面的裂紋，以達到HEMT器件在MEMS領(lǐng)域的有效應(yīng)用。

1 實驗

在本實驗中，Si圖形襯底采用SiO2掩膜和濕法腐蝕（無掩膜）兩種方法進行制備。對于SiO2掩膜情況，GaN只能在非掩膜區(qū)的Si表面外延生長。AlGaN/GaN HEMT采用MOCVD外延生長，襯底為沒有圖形（平面襯底）、濕法刻蝕圖形、SiO2掩膜圖形的Si（111）襯底。

在GaN生長之前，Si襯底上先1150℃高溫生長20nm AlN成核層，然后再1160℃生長1μmGaN緩沖層。為了比較插入層個數(shù)對GaN外延層應(yīng)力的影響，單AlN插入層和雙AlN插入層分別插入此1 μmGaN緩沖層，AlN插入層的生長溫度為960℃，生長厚度為20nm，兩種生長結(jié)構(gòu)如圖1（a）和1（b）所示。最后，在1μmGaN緩沖層上面進行HEMT結(jié)構(gòu)外延生長，HEMT結(jié)構(gòu)包括2nm非摻的AlGaN空間層，15nm Si摻的AlGaN調(diào)制摻雜層，和3nm非摻的AlGaN蓋層。

圖1 HEMT結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 The schematic figure of the HEMT structure with

雙晶X射線衍射（XRD）、光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡（SEM）、微拉曼測試、以及水銀探針電容-電壓（C-V）測試等用來表征GaN薄膜的質(zhì)量、應(yīng)力、表面形貌以及異質(zhì)結(jié)界面等信息。AlN和GaN層的厚度是通過一種薄膜測量裝置（Filmetrics）進行原位監(jiān)測，光源采用600nm激光源。

2 結(jié)果和分析

高溫AlN作為成核層用來初始化GaN外延生長。AlN成核層可以降低GaN外延層中的失配位錯，并通過成核過程中島的聚合控制GaN的內(nèi)部應(yīng)力，從而補償張應(yīng)力［6-7］。

AlN插入層則是用來減少在GaN外延生長過程中引進來的張應(yīng)力。當(dāng)1μmGaN外延層中只有單AlN插入層時，結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，樣品表面會產(chǎn)生大量裂紋，如圖2（a）、2（b）和2（c）所示。這說明單AlN插入層不足以提供足夠的壓應(yīng)力，以致于大的張應(yīng)力通過形成裂紋的方式釋放出來。

圖2 Si襯底上生長HEMT樣品的光學(xué)顯微鏡照片F(xiàn)ig.2 The microscope images of HEMTs grown on Si substrates

為了更好的釋放張應(yīng)力和消除裂紋，在1μ mGaN外延層中插入了雙AlN插入層，如圖1（b）所示。通過在1μmGaN外延層中插入了雙AlN插入層，所生長的樣品表面光滑閃亮，無裂紋，光學(xué)顯微鏡照片如圖2（d）和圖4（a）-（d）所示。這說明雙AlN插入層可以有效的釋放張應(yīng)力，消除了由于張應(yīng)力的存在而產(chǎn)生的裂紋。

圖3（a）和（b）分別比較了無圖形Si襯底上生長的1μmGaN外延層的XRDw掃描的GaN（0002）和GaN（10-12）半高寬，比較結(jié)果如表1所示。其中樣品A結(jié)構(gòu)為1μmGaN外延層中無AlN插入層，樣品B結(jié)構(gòu)為1μmGaN外延層中插入單AlN插入層，樣品C結(jié)構(gòu)為1μmGaN外延層中插入雙AlN插入層。結(jié)果顯示隨著AlN插入層的增加，GaN的半高寬也增加，這說明AlN插入層的增加可以有效的降低GaN外延層的張應(yīng)力，但卻犧牲了GaN外延層的生長質(zhì)量。

表1 1μmGaN外延層中無AlN插入層、有單AlN插入層和有雙AlN插入層的XRD w掃描比較結(jié)果Tab.1 The comparison of XRD results

圖3 1μmGaN外延層中無AlN插入層、有單AlN插入層和有雙AlN插入層的XRD w掃描結(jié)果Fig.3 The XRD results of the HEMT structures without AlN interlayer，with single AlN interlayer and with double AlN interlayer.

圖4展示了采用雙AlN插入層方法在Si圖形襯底上生長的無裂紋HEMT樣品表面的光學(xué)顯微鏡照片。如圖4（c）所示，對于SiO2掩膜圖形Si襯底上生長的HEMT樣品，在樣品表面較大的掩膜臺面區(qū)上，存在著大塊黑色的不定形GaN，這是由于Ga和N吸附原子的擴散長度遠小于掩膜臺面區(qū)的長度，以致于這些吸附原子沒有充足的能量占據(jù)合適的晶格位置，結(jié)果在這些大的掩膜臺面區(qū)生成了不定形GaN。而對于濕法刻蝕Si圖形襯底上生長的HEMT樣品，沒有觀測到不定形GaN。

圖4 采用雙AlN插入層法在Si圖形襯底上生長的HEMT樣品表面的光學(xué)顯微鏡照片F(xiàn)ig.4 The microscope images of the patterns of the HEMTs with double AlN interlayers grown on Si.

在使用優(yōu)化的雙AlN插入層之前，在HEMT樣品表面會觀察到很多的裂紋，如圖2（a）-（c）所示。尤其對于生長在圖形襯底上的HEMT樣品，在沿［1-100］方向比沿［11-20］方向觀察到了更多的裂紋，這是由于GaN（1-100）面比GaN（11-20）面更穩(wěn)定［8］。見于此，我們在Si襯底上沿著這兩個方向制備了條形圖案。圖5展示了沿［1-100］和［11-20］方向生長的HEMT樣品的SEM照片，在沿［1-100］方向觀察到了很多裂紋，而在沿［11-20］方向卻沒有。建議在圖形設(shè)計中，長邊應(yīng)沿著［11-20］方向進行制備，如此在GaN（1-100）面制備得到的條形圖案有助于抑制裂紋的形成。

圖6展示了一個圖形上不同位置的GaN薄膜的拉曼峰位置。從圖中可以看出，在圖形凹角處GaN拉曼峰位置為564.5cm-1，在圖形凸角處GaN拉曼峰位置為565.5cm-1，而對于應(yīng)力完全釋放的GaN拉曼峰位置為568cm-1，如此可以計算出在圖形凹角處和在圖形凸角處GaN拉曼位移分別為3.5cm-1和2.5cm-1。因此，可以認為在圖形凹角處比在圖形凸角處有更大的GaN拉曼位移，說明在圖形凹角處有更大的張應(yīng)力。然而，在一處有裂紋的圖形凹角處的GaN拉曼峰位置為565.1cm-1，大于其它沒有裂紋的圖形凹角處的GaN拉曼峰位置，如圖5所示，這是由于裂紋使該凹角處的部分應(yīng)力得到釋放。

圖5 沿［1-100］和［11-20］生長的HEMT樣品的SEM照片（250倍）Fig.5 SEM photos of the patterns along the［1-100］and［11-20］orientations under the magnification of 250

圖6 一個圖形上不同位置的GaN薄膜的拉曼峰位置Fig.6 Raman peak positions of the pattern at the concave corners and convex corners.

圖7 采用雙AlN插入層生長的HEMT樣品的C-V測試曲線Fig.7 The C-V results of the HEMT structure with double AlN interlayer

圖7展示了采用雙AlN插入層生長的HEMT樣品的水銀探針電容-電壓（C-V）測試曲線。如圖所示，HEMT器件的閾值電壓為-3.5V，電容最大和最小的比值近似為20。在閾值電壓時陡峭的電容變化曲線暗示外延得到了較好的GaN/AlGaN異質(zhì)界面。

3 結(jié)論

通過采用雙AlN插入層法，在非圖形和圖形Si（111）襯底上獲得了無裂紋的AlGaN/GaN HEMT結(jié)構(gòu)。雙AlN插入層可有效的釋放張應(yīng)力，但卻犧牲了GaN外延層的生長質(zhì)量。

由于GaN（1-100）面比GaN（11-20）面更穩(wěn)定，因此在生長過程中沿［1-100］方向比在沿［11-20］方向更容易產(chǎn)生裂紋。對于在圖形襯底上生長的HEMT樣品，在同一個圖形的不同位置上，凹角處比凸角處有更大的GaN拉曼位移，說明在圖形凹角處有更大的張應(yīng)力。水銀探針C-V測試曲線暗示外延得到了較好的GaN/AlGaN異質(zhì)界面。

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