AlGaN/GaN HEMT材料的高溫MOCVD生長研究

陳峰武，鞏小亮，羅才旺，程文進，魏 唯，鮑 蘋

(中國電子科技集團公司第四十八研究所，湖南 長沙 410111)

第三代半導體材料GaN由于其禁帶寬度大、耐高壓、耐高溫、抗輻射、電子遷移速率高、易于形成異質結構等，是制造高溫、高頻、高效、大功率、抗輻射微波電子器件和電路的理想材料。高頻大功率GaN基高電子遷移率晶體管在相控陣雷達、電子對抗、5G通訊、汽車電子等領域具有廣泛的應用前景，已成為目前國際學術界和產業界關注的焦點[1-3]。

目前，AlGaN/GaN HEMT的研究和應用取得了很多突破性的進展，但仍然面臨著不少難題，例如外延材料的缺陷和雜質問題、歐姆接觸問題、表面鈍化問題、器件的穩定性和可靠性問題等[4]。其中外延材料的缺陷和雜質問題主要是由于缺乏同質襯底。為了彌補同質襯底的缺失，目前Al-GaN/GaN HEMT結構材料的生長一般在異質襯底上進行。常用的異質襯底有藍寶石、碳化硅和硅。藍寶石襯底由于生產技術成熟、機械強度高、熱穩定性好等優點，已成為目前最常用的襯底材料，但其也存在導熱性能差、與GaN的晶格失配和熱失配大（分別為14%和35%）的問題；硅襯底具有成本低廉、尺寸大、導電性能好的優點，是未來低成本器件制造的一種重要候選襯底，但是同樣存在與GaN的晶格失配和熱失配過大（分別為17%和56%）導致外延層翹曲和開裂等問題。碳化硅襯底由于具備與GaN最小的晶格失配和熱失配度（分別為3.5%和18%），導熱性能優異等特點，是目前高頻大功率AlGaN/GaN HEMT器件最合適的襯底材料[5]。

高電子遷移率AlGaN/GaN HEMT的研制一直是AlGaN/GaN基射頻微波器件的發展方向。要提高二維電子氣的遷移率，需要制備高質量的GaN溝道層和AlGaN勢壘層。其中AlGaN勢壘層中Al組分的含量、勢壘層厚度、是否調制摻雜、晶體質量等對HEMT結構材料和器件性能的影響很大。增加AlGaN中Al含量提高了勢壘高度因此提供對高密度二維電子氣更好的限制。此外更寬的帶隙還使擊穿電場增加，這對高功率操作是必不可少的。然而由于在生長表面的Al難以移動，使得高質量的AlGaN生長困難并且使界面質量下降[6]。高溫MOCVD技術能夠改善AlGaN的晶體質量和表面質量，將對提高AlGaN/GaN HEMT的性能起到有益的作用。

本文采用中國電子科技集團公司第四十八研究所自主研制的高溫MOCVD設備，在SiC襯底進行AlGaN/GaN HEMT結構材料的生長。高溫MOCVD有著比普通MOCVD更高的晶片加熱溫度以及更低的工作氣壓和Ⅴ/Ⅲ比，因而更有利于高質量AlGaN材料的制備。本文通過高溫MOCVD外延生長技術改善了AlGaN勢壘層、AlN插入層的晶體質量和表面質量，從而獲得了較高二維電子氣遷移率的AlGaN/GaN HEMT結構材料。

1 試驗

本文采用在中國電子科技集團公司第四十八研究所自主研制的高溫MOCVD設備上生長Al-GaN/GaN HEMT結構材料。該高溫MOCVD設備是針對高Al組分AlGaN材料、AlN材料及器件發展需求而研發出的一款設備，具有加熱溫度高、控溫精度好、反應室壓力和V/Ⅲ比調控范圍寬、顆粒物少等優點。高溫MOCVD每次能生長6片75 mm（或4片100 mm），反應室配備了高溫原位監測系統，可實時監測和分析外延生長速率、襯底表面溫度、反射率等。實驗中，以三甲基鋁（TMAl）、三甲基鎵（TMGa）和氨氣（NH3）分別為Al源、Ga源和N源，利用氫氣和氮氣的混合氣體作為載氣。

采用的AlGaN/GaN HEMT外延生長結構如圖1所示。襯底為75 mm 4H半絕緣SiC襯底。在生長工藝上，首先在半絕緣SiC襯底上生長50 nm的AlN形核層，然后生長2 μm厚的非故意摻雜高阻GaN緩沖層，接著生長2 μm厚的非故意摻雜高遷移率GaN溝道層，最后高溫外延生長1.5 nm厚的AlN插入層和20 nm厚的非故意摻雜Al-GaN勢壘層。采用三步生長法來進行GaN溝道層的外延生長，可以實現GaN溝道層的二維層狀生長，從而可獲得高表面平整度和晶體質量的GaN溝道層；采用高溫外延生長工藝（高生長溫度、低生長氣壓和低Ⅴ/Ⅲ比）提高Al原子的表面遷移率，降低Al源與N源之間的氣相預反應，提高AlGaN勢壘層、AlN插入層的晶體質量和表面質量；通過TMA流量和TMA/TMG流量比控制Al-GaN材料中Al組分。

圖1 SiC襯底AlGaN/GaN HEMT外延生長結構

外延片晶體質量和Al組分含量采用高分辨X射線衍射儀（Bruker D8 Discover）測量，使用的射線源為 Cu Kα1(λ=0.154 06 nm)；外延片的室溫二維電子遷移率和濃度、方阻不均勻性采用Hall效應測試儀（Nanometrics HL5500PC）進行測量；樣品的表面微觀形貌和表面粗糙度采用掃描探針顯微鏡（NT-MDT Solver-Pro）進行測量。

2 結果及分析

2.1 晶體質量及Al組分含量分析

采用高分辨X射線衍射儀對AlGaN/AlN/GaN HEMT結構材料進行2θ-ω掃描，掃描曲線如圖2所示。掃描曲線顯示材料結晶完整，GaN（002）、AlGaN（002）以及 SiC（006）3 個衍射峰從左向右依次出現在圖中。X射線衍射搖擺曲線半高寬是表征材料結晶質量的重要參數，圖2給出了SiC襯底AlGaN/GaNHEMT外延結構材料的ω掃描搖擺曲線測試結果，從圖2中可以看出，SiC襯底上GaN材料的（002）面搖擺曲線半高寬為160.9弧秒，（102）面搖擺曲線半高寬為224.3弧秒，均優于在藍寶石襯底上的生長結果。這表明采用晶格更加匹配的SiC襯底，結合三步法外延生長工藝，可顯著提高AlGaN/GaN HEMT外延結構中GaN溝道層的晶體質量。

此外，利用德國布魯克D8 DISCOVER高分辨衍射儀的組分分析功能，對圖2中的2θ-ω掃描曲線進行擬合分析，可得出擬合曲線如圖3所示。由擬合結果得出，AlGaN材料Al組分含量為22.7%，AlGaN層的厚度為19.4 nm，與設計值相符合。為了測試AlGaN外延薄膜Al組分不均勻性，選取了AlGaN/GaN HEMT外延片中心及邊緣區域5個位置進行了測量，測量結果分別為：24.05%、23.69%、22.73%、23.51%、22.87%，經計算，AlGaN外延薄膜Al組分不均勻性為2.39%。

圖 2 SiC襯底AlGaN/GaN HEMT外延材料材2θ-ω掃描曲線

2.2 電學性能分析

圖3給出了半絕緣4H-SiC襯底AlGaN/GaN HEMT結構霍爾測量的典型結果。從圖中可以看出，室溫二維電子遷移率和載流子濃度分別為2 040 cm2/V·s和 6.15×1012cm-2，每方塊電阻值為497 Ω，表明基于高溫MOCVD設備制備的Al-GaN/GaN HEMT結構材料具有優異的二維電子氣輸運性能。

圖3 AlGaN/GaN HEMT外延材料材中GaN的晶體質量測試結果

圖4 AlGaN/GaN HEMT外延材料材中AlGaN材料的Al組分擬合分析

進一步，對AlGaN/GaN HEMT外延片方塊電阻的片內及片間均勻性進行了Hall測試，選取了同一爐的4片外延片，每片外延片測試5個點，選點規則與測試AlGaN材料Al組分不均勻性一樣，測試結果如表1所示。經計算，Al-GaN/GaN HEMT外延片方塊電阻的片內不均勻性最大值為2.82%，方塊電阻的片間不均勻性為3.92%。

圖4 AlGaN/GaN HEMT外延材料Hall測量結果

表1 AlGaN/GaN HEMT外延片方塊電阻的片內及片間均勻性測試

2.3 表面形貌分析

采用AFM技術對AlGaN/GaN HEMT結構材料的表面形貌進行了測試，掃描面積為5 μm×5 μm，結果如圖6所示。從圖6中可以看出，Al-GaN/GaN HEMT結構材料表面呈現出臺階流生長模式，表面均方根粗糙度值為0.95 nm。

圖6 AlGaN/GaN HEMT外延片表面的AFM形貌圖

3 結 論

本文采用自主研制的高溫MOCVD設備進行了AlGaN/GaN HEMT結構材料的生長。采用三步法進行了非摻雜GaN溝道層的生長，其高分辨X射線（002）和（102）面搖擺曲線半高寬分別為160.9弧秒和224.3弧秒，說明GaN溝道層具有較高的晶體質量。采用高溫外延生長工藝進行了AlGaN勢壘層和AlN插入層的生長，測試結果表明，AlGaN的Al組分和厚度分別為22.7%和19.4 nm，達到了設計要求；AlGaN材料表面呈現出臺階流生長模式，表面粗糙度為0.95 nm；異質結室溫二維電子遷移率和濃度分別為2 040 cm2/V·s和6.15×1012cm-2，說明 Al-GaN/GaN異質結具有較高的二維電子氣輸運性能。AlGaN材料的Al組分不均勻性為2.39%，外延片方阻不均勻性最大值為2.82%，說明高溫MOCVD設備具備良好的均勻性控制能力。研究結果表明，采用國產高溫MOCVD設備能夠制備出晶體質量、均勻性較好的AlGaN/GaN HEMT結構材料，可為我國高電子遷移率AlGaN/GaN HEMT的科研生產發揮積極作用。