高阻GaN的MOCVD外延生長(zhǎng)

鄧旭光，韓 軍*，邢艷輝，汪加興，范亞明，張寶順，陳 翔

(1.北京工業(yè)大學(xué)光電子技術(shù)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124;2.中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所納米器件與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇蘇州 215123)

1 引 言

以GaN為代表的第三代半導(dǎo)體緩沖層具有禁帶寬度大、擊穿場(chǎng)強(qiáng)高、熱導(dǎo)率高、耐腐蝕和抗輻照等優(yōu)勢(shì)，特別是AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)具有高密度和高遷移率的二維電子氣(2DEG)[1-6]。因此，寬禁帶半導(dǎo)體被譽(yù)為是研制微波功率器件的理想材料。以AlGaN/GaN為代表的 Ⅲ 族氮化物所制得的高電子遷移率晶體管(HEMT)在室溫下具有較高的電子遷移率(＞1 500 cm2·V－1·s－1)和極高的飽和電子速度(250 km/s)，并且能夠獲得比第二代化合物半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)器件更高的2DEG 面密度(1 ×1013cm－2)[1]。雖然外延技術(shù)的進(jìn)步使AlGaN/GaN HEMT的性能不斷提高，但是一些關(guān)鍵問(wèn)題依然制約著器件的性能，如GaN緩沖層的漏電問(wèn)題等。對(duì)于微波功率器件而言，緩沖層的漏電會(huì)直接導(dǎo)致器件夾斷特性變差、擊穿電壓下降，從而惡化器件的輸出功率、效率以及增益等性能指標(biāo)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致器件損壞。GaN緩沖層材料有兩種導(dǎo)致漏電的因素:一是整個(gè)緩沖層中所存在的背景載流子，二是在靠近襯底一側(cè)含有高濃度(1018cm－3)電子的薄層[1]。

高阻GaN緩沖層可以有效解決緩沖層漏電問(wèn)題。通過(guò)摻雜 Fe、Mg、Zn的方法可以得到高阻GaN。另外，Mita等[4]采用低壓金屬有機(jī)化合物氣相沉積(LP-MOCVD)方法在藍(lán)寶石上淀積AlN成核層，超過(guò)300 s時(shí)，得到了高阻GaN，方塊電阻高達(dá)109Ω/□。改變生長(zhǎng)條件也可以得到高阻GaN。Grzegorczyk等[6]在GaN成核層生長(zhǎng)時(shí)以N2為載氣，得到的GaN電阻率高達(dá)3×104Ω·cm。也有研究認(rèn)為，降低成核層生長(zhǎng)時(shí)的壓力，退火后的成核層上島的密度會(huì)隨之降低。由于島的尺寸較大，島與島之間的合并較快，導(dǎo)致GaN緩沖層中形成大量的位錯(cuò)。這會(huì)影響到GaN的晶體質(zhì)量和電學(xué)特性[5-6]。

為了得到晶體質(zhì)量好、電阻率高的GaN緩沖層，本文采用改變低溫GaN成核層反應(yīng)室壓力和變換載氣(H2和N2)的方式，在藍(lán)寶石襯底上研究制備高阻GaN，同時(shí)也研究了低溫成核層不同的生長(zhǎng)時(shí)間對(duì)GaN電學(xué)特性的影響。進(jìn)一步，外延了AlGaN/AlN/GaN結(jié)構(gòu) 的HEMT器件，結(jié)果表明所生長(zhǎng)的GaN緩沖層在保證高阻的同時(shí)可以滿足HEMT的性能。

2 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中的GaN以及AlGaN均采用Veeco公司的D180型金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積設(shè)備制備。在直徑為5.08 cm(2英寸)的c面(0001)藍(lán)寶石襯底上外延GaN薄膜。三甲基鎵(TMGa)與三甲基鋁(TMAl)分別作為外延生長(zhǎng)過(guò)程中的Ga源與Al源，高純氨氣(NH3)作為N源，材料中不進(jìn)行任何故意摻雜。襯底經(jīng)預(yù)處理之后，采用不同的生長(zhǎng)條件外延低溫GaN成核層。實(shí)驗(yàn)中分別通過(guò)調(diào)整成核層生長(zhǎng)過(guò)程中的反應(yīng)室壓力、生長(zhǎng)時(shí)間以及載氣類型以獲得高阻GaN緩沖層，實(shí)驗(yàn)樣品詳細(xì)的生長(zhǎng)條件如表1所示。各樣品的GaN緩沖層生長(zhǎng)條件為生長(zhǎng)溫度1 020℃，反應(yīng)室壓力約為27 kPa，Ⅴ族源與Ⅲ族源的摩爾流量比(Ⅴ/Ⅲ)為1 800，厚度約為3 μm。之后以不同成核條件得到的高阻GaN緩沖層為襯底外延生長(zhǎng)AlGaN/AlN/GaN結(jié)構(gòu)HEMT器件。AlGaN勢(shì)壘層的生長(zhǎng)溫度控制在1 035℃，反應(yīng)室壓力約為13 kPa，Ⅴ/Ⅲ為 1 300，生長(zhǎng)厚度為 20 nm，Al組分為25%。AlN插入層厚度保持在1 nm。HEMT結(jié)構(gòu)的電學(xué)參數(shù)通過(guò)van der Pauw Hall測(cè)試儀測(cè)試。

表1 GaN的實(shí)驗(yàn)樣品外延生長(zhǎng)條件Table 1 Growth condition of GaN samples

3 結(jié)果與討論

3.1 成核層壓力和載氣對(duì)GaN緩沖層的影響

表2為所有樣品實(shí)驗(yàn)結(jié)果。比較1#H和2#H實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從表2中可以看到1#H和2#H的(0002)面 FWHM 為分別為 285，438 arcsec，(102)面 FWHM 分別為 382，1 105 arcsec。(0002)的XRD的FWHM反映了GaN緩沖層螺型穿透位錯(cuò)和混合型位錯(cuò)的位錯(cuò)密度，而(102)XRD的FWHM反映了刃型穿透位錯(cuò)和混合型位錯(cuò)的位錯(cuò)密度[8]。和1#H相比，2#H存在較高的位錯(cuò)密度，尤其是刃型位錯(cuò)密度更高些。原因很可能是反應(yīng)室壓力較高時(shí)，GaN成核島之間的距離較大，GaN緩沖層的合并時(shí)間長(zhǎng)，成核島的橫向外延時(shí)，更多的穿透位錯(cuò)會(huì)發(fā)生90°轉(zhuǎn)向，進(jìn)而降低延伸至緩沖層的位錯(cuò)密度，提高晶體質(zhì)量。而2#H的反應(yīng)室壓力較低，退火后襯底表面會(huì)被GaN成核島密集覆蓋[5-6]，島與島之間的間距較小，GaN合并時(shí)間較短，以致于大多數(shù)穿透位錯(cuò)沒(méi)有消失[9]。

從表2中還可以看到1#H和2#H樣品的方塊電阻 Rs分別為2 331，8 549 Ω/□。這表明降低成核層生長(zhǎng)的壓力雖然降低GaN緩沖層的晶體質(zhì)量，但是能夠提高方塊電阻。為了保證GaN緩沖層的晶體質(zhì)量又盡可能提高方塊電阻，我們嘗試成核層生長(zhǎng)時(shí)以N2為載氣的方法，制備高阻GaN樣品。

表2 高阻GaN樣品測(cè)試結(jié)果Table 2 FWHM and sheet resistance of GaN samples

比較載氣不同，其它生長(zhǎng)條件相同的1#H和5#N，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示于表2。從表2中可以看到5#N的(0002)和(10)面 FWHM分別為331，1 197 arcsec，方塊電阻為1.98 ×1010Ω/□。比較而言，5#N較1#H的電學(xué)性能有很大程度地提高，但晶體質(zhì)量變差了。這是因?yàn)橐訬2為載氣生長(zhǎng)的成核層，退火后成核島密度較大[4]，因而島合并時(shí)位錯(cuò)密度有所升高。再綜合比較5#N和2#H的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們認(rèn)為5#N的綜合性能要好于2#H。這說(shuō)明以N2為載氣生長(zhǎng)成核層的方法得到的GaN性能優(yōu)于降低壓力生長(zhǎng)成核層的方法，這一點(diǎn)在后面的HEMT器件實(shí)驗(yàn)中也得到驗(yàn)證。

3.2 成核層生長(zhǎng)時(shí)間對(duì)GaN緩沖層影響

在實(shí)驗(yàn)中還研究了延長(zhǎng)成核層生長(zhǎng)時(shí)間對(duì)高阻GaN樣品的影響。目的是在相同的反應(yīng)室壓力和相同載氣的成核層外延生長(zhǎng)條件下，通過(guò)改變外延層生長(zhǎng)時(shí)間優(yōu)化高阻GaN的電學(xué)特性和晶體質(zhì)量，外延生長(zhǎng)時(shí)間分別為170，300，600 s。樣品晶體質(zhì)量和電學(xué)特性變化趨勢(shì)如圖1和圖2所示。圖1為反應(yīng)室壓力為13 kPa，載氣為H2的2#H、3#H、4#H的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖2為反應(yīng)室壓力為66 kPa，載氣為 N2的 5#N、6#N、7#N 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從圖1中可以看到2#H、3#H、4#H的(0002)面的 FWHM 分別為 438，459，511 arcsec，方塊電阻 Rs分別為 8 549，2.04 ×107，2.49 ×1011Ω/□。由此看出反應(yīng)室壓力13 kPa時(shí)，H2為載氣條件下，隨成核層生長(zhǎng)時(shí)間增加，(0002)面FWHM增大，且表2所示的(102)面FWHM也增大，但方塊電阻提高。雖然GaN晶體質(zhì)量降低，但是方塊電阻所體現(xiàn)的電學(xué)性能有很大程度的提高，其中4#H的方塊電阻值達(dá)到1011量級(jí)，這與 Oishi等[3]采用Zn離子注入GaN并在500℃下退火的條件下GaN的方塊電阻值相當(dāng)(3.8×1011Ω/□)。從圖2中可以看到5#N、6#N、7#N的(0002)面的FWHM 分別為331，339，475 arcsec，方塊電阻分別為1.98 × 1010，6.37 × 1010，5.22 ×1010Ω/□。這表明反應(yīng)室壓力為66 kPa，N2為載氣條件下，隨成核層生長(zhǎng)時(shí)間增加，(0002)面FWHM也增大;方塊電阻先提高后降低。GaN材料晶體質(zhì)量下降主要有兩個(gè)原因:一是GaN XRD的搖擺曲線的FWHM隨緩沖層厚度的增加而增大;二是退火后，成核層的島密度和成核層的生長(zhǎng)時(shí)間成正比，而島的合并會(huì)引入刃型位錯(cuò)。較高的島密度會(huì)產(chǎn)生較多的位錯(cuò)[14]。

再觀察 2#H、3#H、4#H 和 5#N、6#N、7#N，(102)面的FWHM增大的幅度要遠(yuǎn)大于(002)面FWHM增大的幅度。刃型穿透位錯(cuò)起受主型陷阱的作用，會(huì)補(bǔ)償背景載流子[4]。因此2#H、3#H、4#H和5#N、6#N隨外延時(shí)間增加方塊電阻增加主要是和刃型位錯(cuò)密度有關(guān)。然而螺型穿透位錯(cuò)和刃型穿透位錯(cuò)對(duì)電學(xué)特性的影響又存在一種互相競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)系。螺型穿透位錯(cuò)會(huì)在GaN中引入導(dǎo)電路徑，降低 GaN的方塊電阻[4]。6#N比 5#N的(0002)面和(102)面的FWHM的分別增加了2.4%和9.5%，7#N 比6#N 的(0002)面和(1012)面的FWHM的分別增加了40.1%和56.3%。因此7#N方塊電阻低于6#N可能是螺型穿透位錯(cuò)和刃型穿透位錯(cuò)共同作用所致。

圖1 不同厚度的低壓外延成核層樣品的晶體質(zhì)量和方塊電阻(4#H的電阻為2.49×1011Ω/□)Fig.1 FWHM and Rsof samples with different thickness of nucleation layer grown under low pressure(Rsof 4#H is 2.49 ×1011Ω/□)

圖2 在N2氣氛下生長(zhǎng)成核層，不同厚度的樣品的晶體質(zhì)量和方塊電阻。Fig.2 FWHM and Rsof samples with different thickness of nucleation layer grown with N2carrier gas

3.3 HEMT 器件結(jié)果

高阻GaN緩沖層的制備不僅要求方塊電阻高，而且要保證不影響HEMT器件的性能。為了衡量高阻GaN樣品對(duì)HEMT結(jié)構(gòu)的影響，分別以不同成核層生長(zhǎng)條件得到的高阻GaN緩沖層(2#H、3#H、4#H、5#N、6#N 和 7#N)為襯底在相同條件下制備AlGaN/AlN/GaN結(jié)構(gòu)HEMT器件，樣品分別為 A、B、C、D、E、F。圖4 是 HEMT 器件的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由圖3可知，樣品D的遷移率是這些樣品中最高的，為1 230 cm2/(V·s)，而樣品A和E的遷移率較低。這說(shuō)明采用N2為載氣，反應(yīng)室壓力66 kPa，生長(zhǎng)時(shí)間為170 s條件下生長(zhǎng)低溫GaN成核層后制備的HEMT器件性能較好。

圖3 不同條件下外延的成核層對(duì)HEMT結(jié)構(gòu)的遷移率的影響Fig.3 The effect of nucleation layer with different growth parameters on mobility of HEMT

4 結(jié) 論

在(0001)c面藍(lán)寶石襯底上，采用金屬有機(jī)化合物氣相沉積(MOCVD)的方法，外延了非故意摻雜的GaN薄膜。研究了成核層生長(zhǎng)的壓力、載氣和生長(zhǎng)時(shí)間對(duì)GaN緩沖層的電學(xué)特性的影響。成核層生長(zhǎng)170 s時(shí)，降低反應(yīng)室壓力或以N2為載氣都會(huì)提高緩沖層的位錯(cuò)密度和方塊電阻。在此基礎(chǔ)上，延長(zhǎng)成核層生長(zhǎng)時(shí)間，緩沖層的方塊電阻會(huì)進(jìn)一步提高，但會(huì)引入更多的位錯(cuò)。刃位錯(cuò)是受主型陷阱，起補(bǔ)償背景載流子的作用。因此，刃位錯(cuò)密度較高時(shí)，方塊電阻也較高。以不同成核層條件得到的高阻GaN緩沖層為襯底外延HEMT器件，研究發(fā)現(xiàn)，HEMT遷移率最高為1 230 cm2/(V·s)，相應(yīng)的高阻樣品的生長(zhǎng)條件是以N2作為載氣，成核層生長(zhǎng)170 s。這種條件下生長(zhǎng)的GaN緩沖層在保證高阻的同時(shí)可以滿足HEMT的性能。

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