AlGaN/GaN异质结生长技术_GaNHEMT氮化镓科技汇

高迁移率 AlGaN/GaN异质结构材料的获取不仅需要高质量GaN缓冲层的保障，同时还要对AlN插入层和AIGAN势垒层的生长条件进行优化。MOCVD外延AlN通常在高温、低压条件下生长，由于Al-N键能较大，需要较高的温度促进原子在生长表面的迁徙以实现准二维生长，而高质量GaN材料的生长则偏向于较高的压力和稍低的温度。MOCVD外延AlGaN薄膜需要折中考虑两者的工艺要求，这势必会对 AIGaN薄膜的晶体质量和表面形貌有所影响。 MOCVD生长AIN材料的另一个难点是Al源和NH₃之间存在较强的预反应，增加了高质量AlN材料的生长难度。同样，AIGaN材料的生长质量和表面形貌也受到Al源和NH₃之间预反应的影响，另外，温度、压力和流量等生长参数对 AlGaN的晶体质量和Al掺入效率都有显著影响。AlGaN势垒层结构、质量和应变状态影响 AlGaN/GaN异质界面2DEG的密度和迁移率。预反应程度与生长工艺参数如压力、温度、V/Ⅲ比及生长速度等因素有关，所以优化AlGaN生长工艺是一项重要的研究内容。

对AlGaN的生长工艺，包括压力、温度、源流量等参数的优化，可减小预反应，提高 AlGaN材料的晶体质量和表面的光滑平整度，AlGaN材料10µm×10µm范围表面粗糙度的AFM测试结果表明表面粗糙度可达0.68nm。

除了表面粗糙度，对于AlGaN势垒层应力的控制也至关重要。由于 AlGaN势垒层与GaN缓冲层存在一定的晶格失配，晶格失配大小与Al组分相关，降低Al组分有助于降低势垒层应力，提高器件可靠性。另外，降低Al组分可以提高 AIGaN材料的晶体质量，降低位错及深能级缺陷密度。图1给出了AlGaN材料黄带和带边发光峰强度比(YB/BE)与Al组分的关系(设定Al组分为0.22时YB/BE为1)，从图中可以看出，Al组分在0.27以下时，随着Al组分的增加，YB/BE增大不是很明显，但当Al组分超过0.27时，YB/BE急剧增大，这与高Al材料相对较差的晶体质量有关。AlGaN异质结的2DEG密度与势垒层Al组分有非常强烈的依赖性，势垒层A1组分的减小会降低沟道2DEG面密度，增大方阻。因此Al组分需折中选择(如0.26)，并通过优化AlGaN/GaN异质界面的生长工艺，提高了2DEG迁移率，保证方阻在设计值范围以内。

图1 AlGaN材料黄带和带边发光峰强度比与Al组分的关系

高质量 AIGAN/GaN异质结材料生长要求晶体质量高、表面形貌良好，同时异质结的界面清晰、过渡陡峭，沟道电子具有显著的二维特性。图2所示为3in SiC衬底上的GaN HEMT外延材料照片，光学显微镜下观察，材料表面光亮，无明显颗粒。

图2 3in SiC衬底GaN HEMT外延材料照片

图3为SiC衬底 AlGaN/( GaN HEMT材料}的高分辨X射线衍射( HRXRD)2θ扫描测试结果，从左向右四个衍射峰分别为GaN(002)、AlGaN(002)、SiC(004)和AlN(002)，其中GaN(002)FWHM很窄(约30〃)，表明外延材料具有较高的晶体质量。

图3 SiC衬底AGaN/AlN/ GaN HEMT结构 HRXRD 2θ扫描曲线

图4为 AlGaN/ GaN HEMT材料电容电压法(C-V法)测试结果，从C-V曲线看出明显的电容平台，且下降沿较为陡峭，表明异质结沟道电子限域特性明显。

图4 AlGaN/ GAN HEMT材料C-V测试结果

通过调整生长模式和界面应力，研制的3in GaN HEMT外延材料2DEG室温Hall移率达2100cm²/(V`s)以上，不均匀性可控制在2%以内，方块电阻均值在310~320Ω/□范围，不均匀性可控制在3%以内，如图5所示。

图5 3in SiC衬底GaN外延片室温下方块电阻与2DEG迁移率测试结果

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