大尺寸Si基GaN HEMT外延薄膜的生長

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（合肥工業(yè)大學(xué) 微電子學(xué)院，安徽 合肥 230009）

0 引 言

以GaN和SiC為首的寬禁帶半導(dǎo)體材料能降低導(dǎo)通電阻的同時提高擊穿電壓，從而進一步降低功率和損耗，被認(rèn)為是新一代電力電子器件的最佳選擇。因此，GaN基HEMT器件可廣泛應(yīng)用在各類電子產(chǎn)品、新能源汽車、工業(yè)應(yīng)用、可再生能源、交通運輸工具等重要領(lǐng)域。GaN基HEMT因其器件性能優(yōu)異成為目前的研究熱點，其優(yōu)點如下：首先，AlGaN/GaN的界面處的電子被局限在不連續(xù)的導(dǎo)帶形成的三角形勢阱里，電子只能在二維二維平面勢阱內(nèi)移動，產(chǎn)生高濃度的二維電子氣。GaN層作為溝道層而AlGaN層作為勢壘層，在空間上保證了電子與雜質(zhì)互相分離，電子受雜質(zhì)散射影響小，因此電子氣的遷移率能夠大幅度提高。其次，GaN材料具備的寬禁帶、耐高溫特性使得器件能在高溫、大電場、大功率狀態(tài)下工作且特性不發(fā)生顯著退化。

生長GaN外延的常用襯底有碳化硅（SiC）、藍寶石（AlO）和硅（Si）。硅襯底的價格最為低廉，且大尺寸制備技術(shù)成熟。硅襯底散熱好，且容易獲得不同尺寸（2-12英寸）和不同類型（n型/p型/高阻）的襯底，可滿足不同的外延生長工藝需求。另外，硅襯底GaN器件還可與傳統(tǒng)硅基器件集成在同一晶圓上，實現(xiàn)系統(tǒng)級集成。因此，Si基GaNHEMT外延迅速成為國內(nèi)外企業(yè)和高校的研究熱點。雖然Si基GaNHEMT外延有著諸多優(yōu)勢，但是GaN-on-Si外延技術(shù)的難度卻是最大，如GaN和硅襯底之間的晶格失配（17%）和熱失配（56%）導(dǎo)致GaN薄膜易龜裂、缺陷密度大、大尺寸的翹曲難控制的問題、Ga原子與硅襯底發(fā)生回熔腐蝕等。

本文利用金屬有機物化學(xué)氣相沉積（MOCVD）的方法在6英寸硅（111）襯底上生長了GaN HEMT外延薄膜。通過調(diào)整優(yōu)化雙層超晶格的AlGaN應(yīng)力控制層的厚度和成分，獲得翹曲控制、裂紋水平、晶體質(zhì)量、表面形貌都較好的6英寸硅襯底GaN基HEMT外延薄膜。該生長方法具有大尺寸、片內(nèi)均勻性好，有關(guān)2DEG的電子氣濃度和遷移率等指標(biāo)較好的優(yōu)勢。

1 實驗部分

1.1 Si基GaN HEMT的MOCVD外延生長

將輕摻雜的硅（111）晶圓片放置在石墨托盤上，傳入反應(yīng)腔中，石墨托盤在加熱溫控系統(tǒng)的幫助下升溫到1 100 ℃。通過流量計通入高純H對硅片表面的SiO進行還原反應(yīng)，去除二氧化硅的雜質(zhì)。隨后降溫到850 ℃通入三甲基鋁源（TMAl），進行預(yù)鋪Al過程。隨后生長多個緩沖層，包括多種平均Al組分的AlGaN應(yīng)力控制層。僅接著，控制溫度在1 080 ℃，通入三甲基鎵源（TMGa）和CH氣體，生長高阻GaN層。隨后升溫1 100 ℃，進行GaN溝道層生長。繼續(xù)分別進行2 nm AlN插入層生長和20 nm AlGaN勢壘層的生長，最后生長1 nm的GaN帽層的保護層。6英寸硅襯底AlGaN/GaN HEMT外延薄膜的生長結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示。

圖1 6英寸Si基GaN HEMT外延薄膜的結(jié)構(gòu)示意圖。

1.2 GaN HEMT外延薄膜結(jié)構(gòu)的應(yīng)力控制層的設(shè)計與生長

如圖2所示為應(yīng)力控制層，分別由200 nm的AlN緩沖層，400 nm的AlN/AlGaN超晶格應(yīng)力控制層，800 nm的AlGaN和1 400 nm的AlN/GaN超晶格應(yīng)力控制層所組成。400 nm的AlN/AlGaN超晶格應(yīng)力控制層的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示。

圖2 應(yīng)力控制層的結(jié)構(gòu)示意圖以及400 nm AlN/AlGaN超晶格的結(jié)構(gòu)示意圖

應(yīng)力控制層的具體生長步驟如下，首先生長AlN緩沖層：溫度在850 ℃，生長20 nm的低溫AlN緩沖層。隨后升溫到1 125 ℃，進行高溫AlN緩沖層生長，厚度為180 nm。繼續(xù)生長AlN/AlGaN超晶格，溫度為 1070 ℃，進行AlN/AlGaN超晶格交替循環(huán)生長，厚度共計為400 nm。緊接著生長AlGaN，溫度為1 060 ℃，生長厚度為800 nm。繼續(xù)生長AlN/GaN超晶格，溫度在1 050 ℃，厚度共計為1 400 nm。

2 結(jié)果與分析

與傳統(tǒng)的AlGaN應(yīng)力控制層相比，雙層超晶格應(yīng)力控制層技術(shù)（400 nm的AlN/AlGaN超晶格應(yīng)力控制層和1 400 nm的AlN/GaN超晶格應(yīng)力控制層）的引入能夠更加精準(zhǔn)調(diào)控對應(yīng)的組分和厚度，更大限度地減少晶格失配的影響，解決GaN外延薄膜的裂紋問題、抑制位錯缺陷。在實驗的MOCVD反應(yīng)腔的高Al組分AlGaN生長中，由于TMAl與NH的寄生反應(yīng)較強及受石墨托盤上方的邊界層厚度的影響，氣相Al元素被過分消耗，導(dǎo)致襯底上沉積的高Al組分的固相AlGaN難以實現(xiàn)，因此本文通過AlN與AlGaN的超晶格生長方式來實現(xiàn)高Al組分的AlGaN應(yīng)力控制層的生長。AlGaN應(yīng)力層的晶格常數(shù)介于AlN和GaN之間，對Si與GaN的晶格差異起到緩沖作用，特別是后續(xù)GaN在AlGaN應(yīng)力層上生長，會繼續(xù)引入一定壓應(yīng)力，抵消硅與GaN之間的張應(yīng)力及GaN降溫產(chǎn)生的張應(yīng)力，解決了大尺寸Si基GaN HEMT外延薄膜的裂紋問題。另外，不同Al組分的AlGaN應(yīng)力控制層，可以使界面處的位錯轉(zhuǎn)彎或者位錯角度發(fā)生改變，使位錯湮滅的可能性增加，導(dǎo)致后續(xù)生長的GaN的位錯減少，降低位錯缺陷密度，有效提高GaN外延薄膜的晶體質(zhì)量，提高器件的可靠性。

HEMT的核心結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)的生長中，如果先插入AlN薄層，則會形成新的AlGaN/AlN/GaN異質(zhì)結(jié)，對AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)的能帶產(chǎn)生重大影響。如圖3所示，由于AlN材料比AlGaN材料具有更大的禁帶寬度，導(dǎo)致AlN與GaN之間的導(dǎo)帶的不連續(xù)性比AlGaN與GaN之間的導(dǎo)帶不連續(xù)性要更大。如圖3（b）所示，在AlGaN/GaN界面處會形成更深而窄的勢阱，將電子限制在AlGaN/GaN界面處，從而提高二維電子氣的濃度及遷移率。

圖3 AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)的能帶圖

圖4為實驗生長的Si基GaN HEMT外延薄膜的光學(xué)顯微鏡照片和AFM照片。從圖4 （a）的光學(xué)顯微鏡的照片可以看出，外延薄膜的中心沒有裂紋，光滑且均勻，在邊緣地區(qū)也僅有少量輕微的裂紋沿著垂直邊界處分布，裂紋長度只有0.5 mm。如圖4（b）所示，掃描區(qū)域為5 μm×5 μm，薄膜表面均方根粗糙度為0.146 nm。表面有清晰的原子臺階，說明AlGaN勢壘層是在臺階流動模式下獲得的，表面平整，形貌良好。

圖4 Si基GaN HEMT外延薄膜

Si基GaN HEMT外延膜厚參數(shù)測試如圖5（a）所示，薄膜的平均膜厚為4.53 μm，厚度標(biāo)準(zhǔn)偏差（Std）為0.05 μm，厚度標(biāo)準(zhǔn)偏差與總膜厚的比值（衡量片內(nèi)膜厚均勻性水平的指標(biāo)）為1.10%，其厚度均勻性較好。外延薄膜中AlGaN勢壘層的Al組分均值（片內(nèi)）為23.2%（圖5（b）所示，Al組分的最大值與最小值之差（用以衡量電子氣遷移率特性的AlGaN勢壘層的均勻性水平）為0.69%，遠優(yōu)于2%的業(yè)內(nèi)均勻性水平。當(dāng)外延片翹曲高度大于50 μm，影響著后續(xù)的器件制作工藝（如光刻對焦），對器件的良率也會產(chǎn)生極大的影響，因此對HEMT外延片有著嚴(yán)格翹曲度的限制和要求。圖5（c）測試的Si基GaN HEMT外延薄膜的翹曲值在23.64 μm，完全滿足集成電路的有關(guān)制程對晶圓片的翹曲度小于50 μm的要求。采用XRD的掃描對實驗生長的Si基GaN HEMT外延薄膜的晶體質(zhì)量進行了測試。圖5（d）測試的GaN（002）面和GaN（102）面的X射線衍射的搖擺曲線（XRC）的半高寬分別是590arcsec和893arcsec。根據(jù)晶體質(zhì)量與XRC半高寬的平方的正相關(guān)的關(guān)系，判斷生長的GaN HEMT的薄膜晶體質(zhì)量較好，其位錯密度得到有效抑制和控制。

圖5 Si基GaN HEMT外延薄膜

將Si基GaN HEMT外延片切成多個1 cm×1 cm的小方塊，采用Van der Pauw法對每個樣品的進行霍爾（Hall）測試，其中歐姆接觸通過焊銦球來實現(xiàn)。由測量可得：2DEG的濃度為8.9×10cm，遷移率高達1 980 cm/（V·s），說明該材料具有良好的二維電子氣電子輸運特性，具備較高的二維電子氣濃度和高遷移率和等特性，可以滿足HEMT器件的應(yīng)用需求。表1是本實驗制備的6英寸Si基GaN HEMT外延薄膜與其他論文或研究的硅襯底AlGaN/GaN HEMT薄膜在二維電子氣電子輸運等特性方面的比較，可看出本文的Si基GaN HEMT外延薄膜制備方法在大尺寸上（6～8英寸）處于領(lǐng)先，另外2DEG電子輸運特性也保持著前列的水平優(yōu)勢。

表1 不同研究機構(gòu)的AlGaN/GaN HEMT的二維電子氣電子輸運特性的對比

研究Si基GaN HEMT器件在關(guān)態(tài)狀態(tài)下的外加電壓與電流的關(guān)系（曲線），如圖6所示。器件的肖特基接觸的電極尺寸（Pad Size）為0.5 mm時，在關(guān)態(tài)下，漏電流為1 μA/mm時，外加的正反向電壓都大于800 V時。漏電指標(biāo)表現(xiàn)好的主要原因是外延生長中引入AlN緩沖層，以及雙層超晶格結(jié)構(gòu)作為AlGaN應(yīng)力控制層的設(shè)計，縮小硅襯底與GaN材料的晶格失配程度。另外，多個應(yīng)力控制層還能有效阻擋界面處的位錯，迫使位錯轉(zhuǎn)彎或者湮滅，導(dǎo)致后續(xù)生長的GaN的穿透位錯變少，有效降低GaN外延薄膜的缺陷密度，提高GaN外延薄膜的晶體質(zhì)量，增強了HEMT器件的可靠性和穩(wěn)定性。從曲線看，當(dāng)外加電壓接近950 V，電流沒有出現(xiàn)明顯放大，器件并未擊穿，進一步驗證了器件具備較高耐壓值的性能。此外，高阻GaN結(jié)構(gòu)的設(shè)計和生長也很關(guān)鍵。高阻GaN結(jié)構(gòu)采用主動通入CH氣體作為碳源的主動摻碳技術(shù)。相對于被動摻碳技術(shù)，能夠在不降低薄膜晶體質(zhì)量的前提下，通過提高GaN摻碳濃度，提高高阻GaN結(jié)構(gòu)的電阻率，從而提強Si基GaN HEMT器件的耐壓性能。

圖6 Si基GaN HEMT器件在關(guān)態(tài)下的電流-電壓（I-V）特性曲線

3 結(jié) 論

利用MOCVD的生長技術(shù)，在6英寸Si襯底上進行了GaN HEMT外延薄膜的生長。通過調(diào)試優(yōu)化AlN緩沖層和AlGaN應(yīng)力控制層，特別是引入兩個總厚度分別為400 nm的AlN/AlGaN超晶格和1 400 nm的AlN/GaN超晶格應(yīng)力控制層，成功生長出無裂紋、高均勻性且翹曲度可控的硅基GaN HEMT外延薄膜。其2DEG電子氣濃度為8.9×10cm，遷移率高達1 980 cm/（V·s）。與傳統(tǒng)的HEMT外延薄膜相比，本文的MOCVD外延技術(shù)具有大尺寸、成本低、薄膜均勻性好的特點，是有效降低GaN HEMT器件制造成本進行產(chǎn)業(yè)化的重要技術(shù)之一。