Fe掺杂高阻GaN缓冲层特性_GaNHEMT氮化镓科技汇

由于GaN外延材料生长温度高，生长过程极易引入杂质，造成材料内部出现大量点缺陷。GaN缓冲层生长过程中非故意引入的杂质主要是Si、O等浅施主杂质，导致了GaN缓冲层通常显示N型背景，影响缓冲层的击穿性能。对于GaN微波功率器件而言，GaN缓冲层不仅需要缺陷密度低，同时还需要高阻特性以减小器件漏电，提高 Gan HEMT的击穿特性和频率特性。缺陷密度可以结合成核层工艺来降低，而高阻特性则还要进一步结合掺杂补偿来实现。缓冲层引入掺杂的目的是补偿GaN缓冲层中的背景载流子，提高缓冲层的击穿电压。由于Fe的能级较深，激活能高，因此比较适合用于补偿背景载流子浓度，目前常用Fe作为高阻GaN的P型掺杂源，掺Fe缓冲层技术在国外已被广泛采用。近年来，国内在外延生长相关关键技术方面也已经有较大突破。图1为掺杂缓冲层GaN异质外延材料结构。该外延材料结构由掺 Fe GaN缓冲层、GaN沟道层、AN插入层、 AlGaN势垒层和GaN帽层组成，其中 AlGaN势垒层中的Al组分为0.26。

图1 掺杂缓冲层GaN异质外延材料结构

利用Fe元素对GaN缓冲层进行补偿从而提高电阻率的过程中，缓冲层电阻率或者说缓冲层的击穿电压随着掺杂浓度的增加而升高。图2所示为缓冲层击穿电压与掺杂浓度的关系图，可以看出，当掺杂浓度低于4×10¹⁸cm^-3时，缓冲层击穿电压随着掺杂浓度的增加快速提升，当掺杂浓度进一步提高到8×10¹⁸cm^-3时，缓冲层击穿电压的增加幅度则渐趋缓慢。当然掺杂浓度提升的同时，由于缓冲层引入的源漏电容C_ds也相应增加，C_ds的增加使得器件输出端信号通过其泄漏而发生损耗的威胁大为增加，将影响器件的效率，同时C_ds的增大也不利于宽带匹配电路的设计，因此从提升器件效率和宽带电路设计需求方面来考虑，掺杂浓度不宜选择过高。另外，高的缓冲层掺杂浓度会使得外延层表面变得粗糙，晶体质量也变差，因此，为了兼顾电阻率和表面质量选择适度的掺杂。在中等掺杂浓度以下，GaN(002) XRD FWHM、表面形貌与非掺杂样品相比几乎没有明显变化，若采用高掺杂则这两项性能均会恶化。考虑到缓冲层掺杂对源漏寄生电容C_ds和外延材料表面粗糙度的影响，选取Fe掺杂浓度为4×10¹⁸cm^-3左右为宜，此时缓冲层击穿电压为200V，相比未掺杂时的不到100V提高了1倍多。

图2 GaN缓冲层的击穿电压及寄生电容与掺杂浓度的关系

按照4×10¹⁸cm^-3的掺杂浓度所获得的高电阻率GaN缓冲层材料的原子力显微镜(AFM)的测试结果表明其10µm×10µm范围内的表面均方根粗糙度仅为0.28mm，表明Fe掺杂提高外延层击穿电压的同时，GaN表面平整度仍然保持良好。

相关阅读