4英寸GaN襯底MOCVD外延高質量AlGaN/GaN HEMT材料研究分析

高楠 房玉龍 王波 張志榮 尹甲運 蘆偉立 陳宏泰 牛晨亮

關鍵詞：GaN襯底，AlGaN/GaN HEMT

0 引言

GaN作為第三代寬禁帶半導體，其帶隙寬度較大，熱導率高、電子飽和速度高、擊穿場強大、熱穩定性好，是制備高溫、高頻、高壓及大功率器件的優選材料。面向微波應用的AlGaN/GaN 高電子遷移率晶體管（HEMT）方興未艾[1-3]。目前，GaN材料主要通過在SiC、Si和藍寶石等異質襯底上外延獲得，受限于異質襯底與外延層之間晶格常數與熱膨脹系數的較大差異，GaN外延材料位錯密度高達108～1010 cm-2，影響器件性能和使用壽命。近年來，在GaN襯底上同質外延GaN基材料，晶格常數和熱膨脹系數完全匹配，基于GaN同質外延的HEMT器件在溝道層的位錯只有異質外延GaN基材料位錯的千分之一，可以避免一系列的漏電問題，從而大幅度降低器件功率損耗，提高器件的壽命與可靠性[4]。

GaN同質襯底制備困難。據第三代半導體白皮書，在GaN單晶襯底的研制方面，日本、中國、美國處于世界前列，主要供應商包括：中國的納維、中鎵、鎵特，日本的住友、三菱、古河機械以及美國的Kyma。2017年三菱制作了2英寸的GaN襯底，半寬28弧秒，將平均缺陷減少到以往產品的數百分之一。2020年，該廠宣布實現了2英寸以上的高質量GaN單晶襯底的批量生產。國內的蘇州納維和中鎵半導體也已實現了產業化。鎵特半導體2019年向全球發售4英寸自支撐GaN襯底。住友在2021年宣布2022年實現4英寸GaN襯底的量產銷售。目前4英寸GaN襯底正處于發展迅猛期，相關的GaN外延工藝也亟待更新匹配。

由于MOCVD在升溫過程中一般使用氫氣作為載氣，但氫氣會加劇GaN在升溫過程中的分解，從而不能得到原子級平坦的襯底表面，進而影響后續的生長工藝。同時GaN襯底上存在的C、O雜質及懸掛鍵需要合適的工藝進行去除[5]，否則會影響生長材料的電學特性。優化的襯底升溫處理工藝是GaN同質外延生長的關鍵工藝過程。此外，在4英寸同質襯底上進行生長，流場、溫場與2英寸襯底上的分布相差較多，所以在4英寸同質襯底上進行生長還需要兼顧其均勻性，對外延工藝提出了更高要求。

1 實驗

使用金屬有機物化學氣相淀積（MOCVD）設備生長4英寸AlGaN/GaN HEMT同質外延材料。首先，襯底在反應室進行表面預處理。在N2環境升溫到900℃，然后通入NH3，在N2/NH3混合氣氛中升溫至1130℃。由于900℃以后GaN開始分解，所以此時通入NH3對襯底表面起保護作用，防止高溫下襯底被過度刻蝕。當溫度上升到1130℃，將N2切換為H2。H2對表面的雜質及懸掛鍵有清除作用。襯底在該溫度下，在H2/NH3混合氣氛中進行表面處理5分鐘[6]。隨后暫停通入NH3 30秒，僅用H2處理，使表面懸掛鍵和雜質去除更為徹底。最后再使用H2/NH3處理1.5分鐘。表面預處理完成后，開始正式生長。表面預處理過程如圖1所示。使用三甲基鎵作為鎵源，三甲基鋁作為鋁源，N2作為氮源，H2作為載氣，在GaN襯底上依次生長1μm的GaN緩沖層，0.5nmAlN插入層，25nmAlGaN勢壘層，2nm的GaN帽層。材料結構如下圖2所示。

分別通過原子力顯微鏡（AFM）、高分辨X射線衍射儀（HRXRD）、拉曼光譜儀測試對AlGaN/GaN HEMT材料的表面形貌、半高寬（FWHM）和應力狀態進行表征。使用非接觸霍爾測試系統表征AlGaN/GaN HEMT材料的2DEG遷移率和面密度。采用二次離子質譜儀（SIMS）測試AlGaN/GaN HEMT材料中的雜質含量。

2 結果與討論

生長之前，首先對GaN襯底進行了全面測試，以備后續對比使用。通過AFM進行表面形貌測試（掃描范圍為2μm×2μm）[7]，襯底表面粗糙度（Rms）為0.157 nm（如圖3所示）。外延后，再次使用AFM進行測試，材料表面呈現出平直的原子臺階，表面粗糙度為0.236nm，無位錯點產生，說明晶體質量良好。

使用H R X R D 對G a N 襯底及外延后材料的（002）晶面和（102）晶面進行了雙晶搖擺曲線掃描，掃描結果如圖4所示。通常通過材料的（002）晶面和（102）晶面搖擺曲線的FWHM來表征GaN材料的晶體質量，這兩個晶面的掃描曲線可以反映不同的位錯類型[8]。GaN襯底的（002）晶面中心邊緣的半高寬分別為58弧秒、42弧秒，外延后半高寬為48.9弧秒、34弧秒。這是由于在生長過程中位錯在材料中發生彎曲和湮滅[9， 10]，使得位錯密度降低。襯底（102）晶面中心邊緣的半高寬分別為51弧秒、56弧秒，外延后半高寬為43.5弧秒、54弧秒。表明材料在生長過程中刃位錯密度和混合位錯密度沒有增加，體現了同質外延生長的優勢。兩個晶面的搖擺曲線FWHM共同反映了GaN材料具有較好的晶體質量。與異質外延的AlGaN/GaN HEMT材料相比，同質外延材料的位錯密度大大降低，對比見表1。

使用拉曼光譜對樣品中心邊緣進行了測試，測試曲線如圖5所示。通過拉曼光譜可以得到GaN外延材料在E2（TO）模式和A1（LO）模式下的光學聲子散射峰，其中E2（TO）拉曼峰強度適中，峰位會隨材料應力的微小變化發生偏移，可以用來表征GaN外延材料的應力[11]。進行模型簡化，得到應力的計算公式[12]為：

中Δω為波數偏移量（ω為波數），γ為應力系數，GaN材料為2.7cm-1/GPa[13]，σxx為材料的水平應力，文獻報道中無應力GaN材料E2（TO）模式的拉曼峰位為568cm-1，根據測得的GaN 拉曼峰位（567.9cm-1）和上述公式計算得出應力值為-0.037GPa。外延前后的GaN E2（TO）模式的拉曼峰位基本重合，表明材料進行了完全的無應力生長[13，14]。

使用非接觸霍爾測試系統對材料中心邊緣2個點進行了測試，結果見表2。該材料具有較高的2DEG遷移率，中心點達到2159 cm2 /（V·s），這是因為AlGaN晶體質量和界面平整度良好，降低了對2DEG的散射，從而實現了高電子遷移率。同時整個樣品的2DEG遷移率和面密度比較均勻。另外，使用非接觸方塊電阻測試儀對樣品上37個點進行了方塊電阻測試，方塊電阻相對標準偏差為0.85%。上述結果表明，在4 英寸GaN襯底上實現了高性能AlGaN/GaN HEMT外延材料生長。

對生長的AlGaN/GaN HEMT材料中的雜質含量進行SIMS測試。從測試曲線中可以得到材料中O濃度中值在1E16cm-3。NH3/H2混合氣體及H2交替通入的方法使得界面處O、H等雜質被有效阻隔，保證了材料的高質量生長。

3 結論

使用M O C V D 方法在4 英寸G a N 襯底上生長AlGaN/GaN HEMT外延材料，并通過原子力顯微鏡、拉曼光譜儀、高分辨X射線衍射儀和非接觸霍爾測試系統等儀器對樣品進行了表征。其中，AlGaN/GaN HEMT材料（002）晶面和（102）晶面中心點的半高寬分別為48.9弧秒和43.5弧秒，表面粗糙度為0.236nm，表明AlGaN/GaN HEMT材料的晶體質量良好且表面平整。拉曼測試中襯底的拉曼峰位與外延材料的拉曼峰位相吻合，表明材料進行了完全無應力生長。AlGaN/GaN HEMT材料2DEG遷移率達到2159cm2 /（V·s），方塊電阻相對標準偏差為0.85%，表明材料電學性能良好且生長均勻。SIMS測試反映出NH3/H2混合氣體及H2交替通入的方法使得界面處O、H等雜質被有效阻隔，是后續材料高質量生長的基礎。