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AlInN/GaN异质结薄膜生长和双沟道HEMT电学特性研究

张森  
【摘要】:III-V族氮化物作为具有广阔应用前景的第三代半导体材料,近年来成为半导体光电子学和微电子学研究的热点。在这些III-V族氮化物中Al1-xInxN材料又成为这些研究中的一个重点。当In含量为0.16~0.18时,AlInN与GaN形成晶格匹配的(LM)异质结。由于无残余应力、强自发极化和高稳定性等优势,LM AlInN/GaN异质结在高电子迁移率管(HEMT)应用中取得了优异的成绩。然而,LM AlInN/GaN HEMT在实际应用中还存在电子迁移率较低和跨导线性区较小等问题,同时AlInN薄膜的生长中也存在组分不均匀的问题。为了解决这些问题,本论文开展了AlInN材料生长机制研究与晶体质量优化、新型AlInN/GaN HEMT的设计和新型器件的性能分析三方面研究工作,为进一步提高AlInN/GaN HEMT的电学特性提供了实验和理论基础。 本论文首先研究了在GaN缓冲层上采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)方法制备的AlInN薄膜中纵向组分不均匀现象的产生机制。研究发现,在AlInN的生长初始阶段形成的是高Al组分的薄膜,导致AlInN薄膜表面的In过量以至形成一些大小均匀的纳米级In滴。这些In滴在材料生长过程中增加了表面瞬态In的浓度,进而提高AlInN中In含量。在AlInN薄膜生长过程中,In滴密度呈现先增大后减小的变化趋势,导致薄膜中In含量随厚度产生相应的波动。所以,MOCVD制备的AlInN薄膜中纵向组分不均匀现象产生的原因是其表面In滴的影响。 为了获得组分均匀并且与GaN晶格匹配的AlInN薄膜,本论文又研究了生长条件对In滴和AlInN晶体质量的影响。通过优化生长条件,降低生长速率,成功地抑制In滴产生。以此为基础继续优化生长条件,研究发现氢气浓度和生长温度的升高都会导致In结合效率的降低,增加V/III比会导致薄膜生长速率的下降,也会降低In结合效率。随着In组分偏离0.18,AlInN材料的表面粗糙度和位错密度迅速增加。最后,通过优化生长条件,获得当生长温度为790℃,V/III (NH3:TMAl:TMIn)为500:20:200时,可以制备与GaN晶格匹配的高质量AlInN薄膜。 本文在深入地研究了AlInN/GaN异质结中电子运动规律基础上,设计了具有高电子迁移率、低面电阻和高面电阻均匀性的新型双沟道AlInN/GaN异质结。在室温条件下AlInN/GaN异质结中限制高密度二维电子气(2DEG)电子迁移率的主要因素是界面粗糙度散射和极化光学声子散射,它们限制作用随着沟道中2DEG面密度的减小而减弱。为了提高电子迁移率,同时保持总的2DEG密度不变,本论文设计了一种新型双沟道(D-C)AlInN/GaN HEMT,其结构为AlInN/AlN/GaN/AlN/GaN。这种异质结中的2DEG分布在上下两个电子沟道中,由于每个沟道中面电子密度的降低而电子迁移率的提高,所以导致D-C AlInN/GaN异质结同时具有高电子迁移和低面电子密度的双重优点。研究还发现,在传统单沟道(S-C) AlInN/GaN异质结中,AlN/GaN异质结界面平整度的不均匀影响了面电阻的大面积均匀性。然而,在D-C AlInN/GaN异质结中由于对2DEG空间分布的有效调控,减弱了界面粗糙的影响,从而获得面电阻分布均匀的AlInN/GaN异质结。最终经过结构优化,D-C AlInN/GaN异质结的迁移率提高到1570cm2/Vs,面电阻降低到222?/sq,同时面电阻的标准偏差仅为0.7%。 利用前面材料生长技术,本论文制备了设计结构的D-C AlInN/GaN HEMT。结合器件的模拟和实验结果,深入地分析了该器件的I-V特性。模拟结果显示D-C AlInN/GaN HEMT具有良好的栅可控性,在上下两个沟道中上沟道中2DEG表现了更好的栅可控性。与S-C AlInN/GaN HEMT相比, D-C AlInN/GaN HEMT的跨导输出特性可以出现两个极值点,同时夹断电压绝对值也增大。实验结果表明,D-C AlInN/GaN HEMT在栅极电压为5V时,最大值输出电流为980mA/mm。夹断电压为-6.2V,并且显示了很好的夹断特性。在栅极电压为-4V和-2V,分别出现了两个跨导极大点。在未钝化的D-C AlInN/GaN HEMT中,在大的栅极偏压和漏极偏压下,I-V输出特性出现了明显的电流崩塌。研究进一步表明,上沟道对应的输出电流更易于产生电流崩塌,而下沟道对应的输出电流崩塌较小。 综上所述,论文在成功制备高质量LM AlInN/GaN薄膜的基础上,设计和制备了D-C AlInN/GaN HEMT。D-C HEMT具有高电子迁移率和宽跨导线性区的特性,有效克服S-C AlInN/GaN HEMT作为微波功率器件应用时存在的相应问题。


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