（材料物理与化学专业论文）algangan异质结材料特性与hemt器件研究.pdf

摘要 摘要 常规半导体微波功率器件已经发展到其性能极限。为了满足无线通信的未来 需求，宽禁带半导体g a n 和s i c 成为研究的热点。a i g a n g a nh e m t 器件被认为 是1 5 0 g h z 频率范围内的理想的微波功率器件。然而，目前a l g a n g a nh e m t 器 件物理和工艺技术还不成熟。本文即在此背景下写作的。 首先，基于i s et c a d 模拟结果以及文献中的大量数据，分析了a i g a n g a n 异质结中影响2 d e g 的因素，如a 1 g a n 势垒层极化、a l 组分、应变、厚度以及掺 杂等。基于静电学分析，抓住主要矛盾忽略了一些细节，得出了表面态是异质结 中2 d e g 的来源。基于这一分析结果解释了模拟和文献中的大量数据。最后根据 建立物理理论的基本方法对得出的结论进行系统的分类。 其次，基于对异质结的深入理解，建立了a 1 g a n g a nh e m t 的直流特性解析 模型。 最后，研究了a 1 g a n g a nh e m t 的电流崩塌效应。着重阐述了应力模型、虚 栅模型等几种解释电流崩塌效应形成机理的模型以及表面处理、场板结构、生长 盖冒层等减少电流崩塌的措施。 关键词：a i g a n g a n 异质结构高电子迁移率晶体管电流崩塌 a b s t r a c t a b s t r a c t m i c r o w a v ep o w e rd e v i c e sw i t l lc o n v e n t i o n a ls e m i c o n d u c t o r sh a v ea p p r o a c h e d t h e i rp e r f o r m a n c el i m i t s m i c r o w a v ep o w e rd e v i c e s 、析t l lc o n v e n t i o n a ls e m i c o n d u c t o r s h a v ea p p r o a c h e dt h e i rp e r f o r m a n c el i m i t s t om e e tt h ef u t u r en e e di nw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s ，r e s e a r c he f f o r th a sb e e nd i r e c t e dt ow i d eb a n d g a ps e m i c o n d u c t o r s ， s u c ha sg a na n ds i c a 1 g a n g a nh i g h - e l e c t r o n - m o b i l i t y t r a n s i s t o r s ( h e m t ) a r e r e g a r d e da st h ei d e a lm i c r o w a v ep o w e rd e v i c e si n1 - 5 0 g h zf r e q u e n c yr a n g e h o w e v e l t h ed e v i c e p h y s i t sa n dt h ef a b r i c a t i o nt e c h n o l o g yo fa 1 g a n g a nh e m tr e m a i n i m m a t u r e t h i sd i s s e r t a t i o n i sw r i t t e n i n t h e b a c k g r o u n d a 1 g a n g a n h i g h - e l e c t r o n m o b i l i t y - t r a n s i s t o r s ( h e m t ) a r er e g a r d e da s t h ei d e a lm i c r o w a v e p o w e rd e v i c e si n1 - 5 0 g h zf r e q u e n c yr a n g e h o w e v e r ，t h ed e v i c ep h y s i c sa n dt h e f a b r i c a t i o nt e c h n o l o g yo fa 1 g a n g a nh e m tr e m a i ni m m a t u r e t h i sd i s s e r t a t i o ni s w r i r e ni nt h eb a c k g r o u n d f i r s t l y , b a s e do nt h er e s u l t so fi s et c a ds i m u l a t i o na n dal a r g ea m o u n t so f p u b l i s h e dd a t a ,a n a l y s i s o fm a n yf a c t o r st l l a ti n f l u e n c eo nt h ed e n s i t yo ft w o d i m e n s i o n a le l e c t r o ng a ss u c ha sp o l a r i t y , a l l o yc o m p o s i t i o n , s t r a i n ，t h i c k n e s s ，a n d d o p i n go ft h ea 1 g a nb a r r i e r b a s e do nt h ee l e c t r o s t a t i c sa n a l y s i s ，r e g a r d l e s so ft h e d e t a i l st os e i z et h em a i np o i n t s ，s u r f a c es t a t e sa r ei d e n t i f i e da sa ni m p o r t a n ts o u r c eo f e l e c t r o n si so b t a i n e d t h er e s u l t so fi s et c a ds i m u l m i o na n dal a r g ea m o u n to f p u b l i s h e dd a t aa r ei n t e r p r e t e db yt h i st h e o r y t h e n ，t h ec o n c l u s i o n sa r ec l a s s i f i e db y m e t h o do ft h ee s t a b l i s h m e n to ft h e o r e t i c a lp h y s i c s s e c o n d l y , b a s e do nt h ed e e pr e s e a r c ho f a l g a n g a nh e t e r o s t r u c t m e s ，a na n a l y t i c a l m o d e lf o rt h ed cc h a r a c t e r i s t i c so f a l g a n g a nh e m ti sd e v e l o p e d f i n a l l y , c u r r e n tc o l l a p s eo fa 1 g a n g a nh e m ti sr e s e a r c h e d t h er e a s o nc a u s e d t h ec u r r e n tc o l l a p s ei sb r i e f l yi n t r o d u c e d ，i n c l u d i n gt h em o d e lo fb i a ss t r e s sa n dv i r t u a l g a t ea n ds oo n af e wm e t h o d st od e c r e a s ec u r r e n tc o l l a p s e ，s u c ha ss u r f a c et r e a t m e n t ， f i e l dp l a t es t r u c t u r e ，g r o w i n gc a p p e dl a y e ra r ea l s od e s c r i b e d k e yw r o d s ：a 1 g a n g a nh e t e r o s t r u c t u r eh e m t c u r r e n tc o l l a p s e 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导 师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注 和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果； 也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明 并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：宴嫜 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留 送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容， 可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合 学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 本人签名：童雏叠 导师签名：日期 第一章绪论 第一章绪论 1 1g a n 基器件的优势 第三代半导体材料，即禁带宽度大于2 2 e v 的宽禁带半导体材料，包括c d s ( 2 4 2 e v ) 、s i c ( 3 2 e v ) 、z n o ( 3 3 2 e v ) 、g a n ( 3 4 2 e v ) 、z n s ( 3 6 8 e v ) 、金刚 石( 5 4 5 “) 、a i n ( 6 2 0 e v ) 等。在电子器件方面，对s i c 和g a n 的研究相对比 较成熟，在高温、高频大功率器件和短波光电子器件方面，这两种材料具有前两 代半导体( s i 和g a a s ) 所不能比拟的潜力，是目前世界半导体材料和器件研究领 域中的热点。 表1 1 对比了这三代半导体材料中具有代表性的材料的各种电性能参数。其 中，j o h n s o n 品质因数j m f 和b a l i g a 品质因数b f o m 是表征半导体材料高频大功 率应用潜力的指标： j m f = 鼋k 2 ( 4 z r 2 ) ( 1 1 ) b f o m = e p 。鹾 ( 1 - 2 ) 其中为介电常数，为迁移率，玩为击穿电压。图1 1 为常见微波功率器件的应 用范围和潜力。显然s i c 和g a n 非常适合高频大功率应用，如无线通信的基站、 雷达、汽车电子等。s i c 和g a n 都具有出色的化学稳定性和热稳定性，适合制作 耐高温和抗辐射的电子和光电子器件，在航空航天、核工业、军用电子等恶劣环 境中对这种器件有着迫切的需求。 8 主 譬 = 雪 季 墨 毒 o ，s i c m e s f e t ，g 矗m t 02 0 4 0 6 08 0l o o1 2 01 4 01 6 01 8 02 0 0 p e a kc u t o f f f r e q u e n c y ( g h z ) 图1 1几种典型半导体的应用领域 目前，g a n 材料主要以异质结外延方法进行制备，电子器件主要是用于s 波 段以上微波功率放大器和高压功率开关场合的g a n 基高电子迁移率晶体管 蛞 加 於、蕊 加 博 m s i 2 a i g a n g a n 异质结材料特性与h e m t 器件研究 ( h e m t ) 和异质结双极型晶体管( h b t ) 。尽管材料和电子器件都还处于从研发 向商品过渡的阶段，但是g a n 基异质结已经表现出强大的电流处理能力，g a n 基 h e m t 在材料和器件结构设计方面研究的快速发展，以及器件所表现的优越微波 功率特性都给人留下深刻的印象。s i c 材料则已经能够提供较大尺寸的商用晶片 ( 2 5 1 0 0 m m ) ，以制作器件或实现同质外延。s i c 在电子器件研发方面的种类比较 多样化，如基于肖特基接触和p n 结的二极管、各种场效应管和双极器件，主要用 于功率整流器、高压功率开关、x 波段以下微波功率放大器和功率转换器等，其 中的大部分器件都已经实现商用化。 表1 1几种重要半导体材料的性能参数 1 2g a n 基异质结材料 g a n 材料体系以异质结方式大量地应用在光电和电子器件方面，这也是推动 g a n 材料向高水平发展的动力之一。由于i i i 族氮化物中g a n 的外延技术相对较 为成熟，所以光电器件中由于波长的要求而需要的高a l 组分和含1 1 1 的氮化物合金 材料通常是在衬底上外延了g a n 的底板上生长的。另外，为了降低对p 型掺杂的 要求，或者提高器件的性能，在本身基于多异质结和多量子阱结构的光电器件方 面人们也做了大量成功的尝试。 在微波功率器件方面，g a n 材料主要是以a 1 g a n g a n 异质结的形式用于 h e m t 器件中，所以其材料水平主要以其中的2 d e g 的电导特性来进行衡量。在 第一章绪论 a 1 g a n g a n 异质结中，a 1 g a n 为宽禁带材料，g a n 为窄带材料，两者形成i 型异 质结，2 d e g 位于异质结界面的g a n 一侧。 1 9 9 2 年，k h a n 等基于蓝宝石衬底制备了第一个a l o 1 3 g a o s 7 n ( 1 0 0 n m ) g a n 异 质结，并利用s h u b n i k o v d eh a a s ( s d h ) 量子霍尔效应证实了a 1 g a n g a n 界面2 d e g 的存在，其面电子密度为1x 1 0 1 1 c m 。2 ，室温迁移率为8 4 3 c m 2 v l s ，7 7 k 时迁移率 为2 6 2 6 c m 2 - v q - s 一。随着材料生长水平的提高和异质结构参数的优化，目前 a 1 g a n g a n 异质结结构参数和相应的性能已经基本稳定。为了能尽量提高沟道电 子浓度而同时又不会引起势垒层的应变驰豫，通常应用于h e m t 器件的异质结势 垒层的舢含量为o 2 o 3 ，厚度为2 0 3 0 n m 。蓝宝石衬底上a 1 g a n g a n 单异质结 2 d e g 的室温迁移率通常在8 0 0 1 5 0 0 c m 2 v l - s d 之间，低温迁移率则在1 9 9 9 年由 一个m b e 生长的u i d a 1 0 0 9 g a o 9 l n ( 1 6 n m ) g a n 的样品创造了温度为1 3 k 时达 5 1 7 0 0 c m 2 v - 1 s 1 的记录【1 j 。在与g a n 晶格失配较小的s i c 衬底上外延a 1 g a n c r a n 异质结，由于缺陷密度降低，材料水平通常会更高一些。目前，2 d e g 的室温迁移 率通常在1 0 0 0 2 0 0 0c m 2 v - 1 s - 1 之间，低温迁移率则有4 2 k 达11 0 0 0c m 2 v l - s d 的 报告 2 1 。若以面密度和迁移率的乘积来衡量g a n 基异质结2 d e g 的电学特性，这 个乘积高于1 x 1 0 1 6 v - 1 s - 1 就说明2 d e g 具有优良的电学特性【3 1 。 从实验上观察到即使a 1 g a n g a n 异质结未人为进行掺杂，其2 d e g 面电子密 度也可以达到1 0 1 3 c m 2 量级，远高于g a a s 基异质结2 d e g 的水平，并且a 1 g a n g a n 异质结的2 d e g 浓度和迁移率都与a 1 g a n 层的厚度和a l 组分密切相关。这些现 象是由极化效应引起的。极化电场加深了导带底在异质结界面处所形成的量子阱， 从而加强了对2 d e g 的二维空间限制，提高了阱中2 d e g 面电子密度，势垒层结 构参数的变化引起极化电场的变化，从而影响了2 d e g 的面电子密度。目前已报 道的室温2 d e g 面电子密度可高达3 6 x 1 0 1 3 c m 。2 ，是在a i n ( 4 9 n m ) g a n 异质结中 测得的结果。2 d e g 的迁移率随着势垒层结构参数的变化主要是由2 d e g 浓度的变 化而引起的。这将在第二章中详细讨论。 1 3g a n 基h e m t 的最高性能水平 从频率特性上看，有以下几种不同结构的深亚微米器件给出了g a n 基h e m t 的最高性能水平。 h i g a s h i w a k i 等在a 1 g a n a l n g a nh e m t 的基础上采用了对势垒层提高a l 含 量并降低厚度( ( 8 n m ) a l o 4 g a o 6 n ( 1 3 n m ) a 1 n ) 的方法，同时对器件表面用接触式 化学气相淀积( c a t c v d ) 法淀积( 2 n m ) s i n 钝化膜，用平面器件获得了极高的频 率特性。若在平面器件的基础上提高h e m t 器件的频率性能，则需要减小栅长。 在常规的g a n 基h e m t 中，势垒层厚度为2 0 3 0 n m ，栅长减小到0 1 - 4 ) 2 1 t m 时对 a i g a n g a n 异质结材料特性与h e m t 器什研究 高频特性的改善作用达到饱和，因为栅长和势垒层厚度的比值不能太小。同时减 小栅长和势垒层厚度是可行的，但势垒层厚度的减小会引起沟道2 d e g 密度的下 降，所以应该提高势垒层a l 含量，并用c a t c v d 法对器件表面淀积s i m 钝化膜 以提高沟道2 d e g 的密度。h i g a s h i w a i d 等用c a i - c v ds i n ，仅作为钝化膜( 厚3 0 r i m ) 或既作为钝化膜也作为栅绝缘介质层( 厚2 r i m ) 得到的器件特性都很出色。在后 一种器件中，以霍尔测量得到的钝化前、后异质结材料的电学特性变化如表l2 所 示，对栅长为00 6 - - 02 l l m 的器件测得矗锄。为11 7 12 4 a m m ，g 。为 3 0 5 4 1 7 m s n l m _ 1 。栅长00 6 1 j _ m 的器件疗为1 6 3 g h z ，靠。为1 9 2 g h z ( 由最大稳定 增益与最大资用增益的比值m s g m a g 来确定) 或1 6 3 g h z ( 由单向增益吐确定) 。 表1 2c a t c v ds i n 钝化前、后的a i g a n i a i n g a n 异质结电学特性的变化 圈12a 1 g a n g a n i n g a n t g a n 结构 在槽栅器件中，p a l a c i o s 等提出了与上一种结构频率特性相当的两种结构：一 种结构是具有l n g a n 背势垒、栅长1 0 0 r t m 的器件【4 】。该器件的栅和沟道之间的距 离为13 n m ，其材料水平相当高( 如图12 所示) ，霍尔测量结构电子浓度为 15 x 1 0 。3 e n f 2 ，迁移率为1 2 4 0 e m 2 v - 1 s ，厶锄“为l4 a i r o n ，g h m “约为3 8 0 m s m m 。 如图1 3 ( a ) 所示。在器件表面有( 1 4 0 n m ) s i n ，钝化层时，卉为9 0 g h z ，为了减小栅 源和栅漏电容，进一步提高频率特性而去掉钝化层后，在， 达到晟丈的偏置下行 为1 5 3 g h z 柝为1 9 8 g h z ，在j ；n 。达到最大的偏置下 为1 2 4 g h z ，k 为2 3 0 g h z ， 如图1 3 ( b ) 所示。另一种是为了保留钝化层以抑制电流崩塌效应的产生，同时又不 引入栅源和栅漏寄生电容的结构，是将t 形栅的顶部与钝化层之间以g e 牺牲层工 艺引入空隙而实现的。该器件的栅长为9 0 n m ， 为1 6 3 g h z ， 。为1 8 5 g h z ，而 且在4 0 0 h z 、v m = 3 0 v 时测得晟大输出功率密度凡。达到6 w r a m l 。 第一章绪论 1 5 0 n 士 叟 斟 暴1 5 0 5 01 f 1 01 5 02 ( b ) 栅k r i m 图1 3 用c a t - c v ds i n ，薄膜作钝化层及栅下介质层的a i g a n a i n g a nh e m t 的( a ) 最大 漏极电流密度和峰值跨导( b ) 疗和厂嗍随栅长的变化 从微波功率特性来看，目前【广c 波段蓝宝石上h e m t 的连续波最大输出功率 密度尸m 瓢记录为c h i n i 等用栅尺寸为o 7 t x m x l 5 0 l t m ，栅源、栅漏间距分别为o 7 m 和2 “m ，栅场板伸出栅的漏端0 7 t m 的器件在4 g h z 、v d s = 5 0 v 时测得的1 2 w n l r n 。1 ： s i c 上h e m t 的连续波靠敬记录为w h 等用栅尺寸为0 5 5 t m x 2 4 6 1 a m 、栅源、栅 漏间距分别为l l a m 和4 1 1 t m ，栅场板伸出栅的漏端1 1 l a m 的器件在4 g h z 、v a s = 1 2 0 v 时测得的3 2 2 w m m 1 ，两者的成功之处被认为是场板的优化设计抑制了电流崩塌 【5 j ，提高了击穿电压。单个器件的输出总功率的最高记录是o k a m o t o 等在半绝缘 s i c 衬底上结合了场板、槽栅、钝化等措施，以尺寸为ll a m x 4 8 m m 的器件在2 g h z 、 v d s = 5 3 v 时测得的2 3 0 w ( 对应的输出功率密度为4 8 w a l l , n 1 ) 【6 1 ，器件的结构如 图1 4 所示。器件槽栅部分的槽深为2 1 n m ，使g m m 戤从平面器件的1 5 0 m s n l l i l 。1 上升到2 7 0 m s w i n l 。场板和槽栅的结合显著抑制了电流崩塌效应。大栅宽器件的 均匀和稳定制作工艺也是该器件的成功之处。x 波段的连续波尸m 舣记录为e a s t m a n 等报告的栅尺寸为o 3 p m 1 0 0 p m 的器件在1 0 g h z 、v d 。= 4 5 v 时测得的 a i o a n c s a n 异质结材料特性与h e m t 器件研究 1 12 wn u n ，单个器件输出总功率的最高记录为p r i b b l e 等以栅尺寸为 0 4 p m 1 2 r a m 的器件在1 0 0 h z 、f d s = 3 7 v 时测得的1 05 w m m - 1 嘲，单个器件输出 总功率的最高记录是w u 等以栅尺寸为0 1 5 1 u n x l 5 m m 的器件在3 0 g h z 、v f f i 2 8 v 时测得的8 0 5 x v t 9 。 图1 4 输出总功率达2 3 0 w 的器件结构剖面图 在器件的击穿特性研究方面，南卡罗来纳州大学l l ”和u c s b i ”】都认为在测量 器件的击穿电压时环境介质对测量结果有影响，并把在空气中进行测量改为在 f l u o d n e r t 冷却液( 一种无腐蚀的冷却剂) 中进行测量。胡4 量结果都说明，在空气 中测量时，随着栅漏间距工的增大，器件的起初增大，然后饱和在4 0 0 5 0 0 v 范围内，在f l u o r i n e r l 冷却液中进行测量时，器件的可以随工毫d 近线性增大到 1 6 k v 以上。南卡罗来纳州大学的器件既无钝化层也无场板，研究结果说明，在 空气中器件困击穿而失效都伴随着栅金属的蒸发，因此是表面电弧造成的击穿， 而在f l u o r i n e r t 冷却液中的击穿仍然与器件表面或缓冲层击穿有关，而不是由沟道 雪崩造成的击穿，u c s b 则考虑到钝化层和场板在器件应用中的必要性，以及多场 板提高的已有的研究结果【l ，提出了集成斜场板器件结构( 图1 5 ) ，并在栅尺 寸为i i u n 2 0 0 m m ，源栅问距l p f f i 2 0 9 m 、l g d = 2 钆m 的斜场板器件上获得了1 9 0 0 v 的记录，为既采用钝化又保持高提供了新的器件方案。 在高压和功率开关特性方面，场板结构也是必不可少的。d o r a 等“q 的多层场 板器件，开启和关闭时间分别为4 0 n s 和2 0 n s ，栅宽55 m m 的器件在1 5 0 v 电压下 开关电流达2 4 a 。b o u l l o s 等1 1 4 1 的栅宽3 0 - 石0 m m 的单场板器件的开，关时间小于 2 5 n s ，在阻性和感性阻抗下开，关能力分别为1 0 0 v 1 1 a 和4 0 v 2 3 a ，已经达到千瓦 级功率转换水平。这些器件代表了目前s i c 村底上g a n 基h e m t 开，关特性的最 高水平 第一章绪论 图15 集成斜场板器件结构剖面图 1 4 本论文的研究内容和安排 本文基于i s et c a d 模拟结果以及文献中已有的大量数据，系统的分析了影 响a i g a n g a n 异质结中2 d e g 密度的因素，如a i g a n 势垒层厚度、势垒层中a l 组分、势垒层中应变驰豫、g a n 盖冒层及其厚度等。并且基于已有的大量数据， 贯彻抓住主要矛盾的思想，建立了表面态理论。并基于该理论解释了文献中已发 表的大量数据。 第二章详细分析了a i g a n g a n 异质结的极化效应。根据电荷守恒原理，并忽 略了一些不必要的信息，得出了异质结中2 d e g 的来源。然后基于这一分析结果 解释了模拟和文献中的大量数据。最后根据建立物理理论的基本方法对得出的结 论进行系统的分类。 第三章基于对异质结的深入了解，建立了a i g a n g a n h e m t 的直流特性模型。 第四章系统的分析了g a n 基h e m t 的电流崩塌效应的现象、形成机理，并根 据建立的表面态模型解释了其中的一些现象。然后，总结了目前国内外抑制电流 崩塌效应的措施。 第二章g a n 基材料及其异质结特性 9 第二章g a n 材料及其异质结特性 2 1g a n 材料的制备 g a n 晶体的熔点高达2 3 0 0 ，但其分解点在9 0 0 左右，所以制备s i 材料的 标准方法并不适合用来生长g a n 单晶。g a n 材料的制备在2 0 世纪6 0 年代就开始 了较多的研究，在尝试了利用n h 3 和热的o a 金属反应合成粉末或小单晶、反应溅 射生长薄膜、高压生长等技术后，第一个高质量的g a n 单晶薄膜在1 9 6 9 年由 m a r u s k a 等通过气相淀积( v p e ) 方法在蓝宝石衬底上外延获得。由这个薄膜第一 次精确地测得了g a n 材料为直接带隙半导体，禁带宽度为3 3 9 e v ，预示着g a n 在高频短波长光电器件方面的巨大潜力。但是该薄膜并未掺杂，背景电子浓度却 高达1 0 1 9 c m 。3 量级，这也使人们充分地认识到降低g a n 薄膜背景电子浓度、实现 p 型掺杂以获得p n 结的艰巨性。 随后，气相淀积这一方法成为i i i 族氮化物材料制备的主流方法之一，g a n 材 料研究的先驱们围绕这种方法，在选取合适的衬底材料及其晶向、以缓冲层减小 衬底和外延薄膜的晶格失配从而提高薄膜质量、气相淀积方法的不断改进以降低n 型背景掺杂浓度、实现有效的p 型掺杂等方面做出了不懈的努力。在此过程中， 人们认识到在不同的材料和晶向的衬底上可以生长出纤维锌矿和闪锌矿两种结构 的g a n 材料( a i n 、i n n 材料也是如此) ，并对其化学性质、结构、电学和光学性 质做了大量的实验表征和理论研究。 在1 9 9 9 年，终于由n a k a m u r a ”】等利用m o c v d 法在自主设计的生长系统中 外延出高质量的g a n 材料，并制造出世界上第一只p n 结g a n 蓝光发光二极管。 之后，国际上对i i i 族氮化物的研究和应用绝大部分采用纤维锌矿结构。现在，g a n 材料可以通过在生长中引入过量的c 或f e 来产生深受主能级、对背景施主进行补 偿，实现缓冲层的半绝缘和绝缘性质，p 型材料的空穴浓度可以达到1 0 1 8 c m 。3 数量 级，材料中的延伸缺陷( 位错) 密度可以通过对生长方法的改进，如采用外延横 向过生长( e l o g ) 技术等而被大大降低【1 6 1 。 目前，g a n 材料在生长上仍以外延方式为主，主要有氢化物气相外延( h v p e ) 、 m o c v d 、m b e 等。这几种方法的基本原理和比较见表2 1 。其中，m o c v d 技术 由于其在材料质量和成本等方面的优势，具有最广泛的应用。 外延g a n 薄膜的衬底主要有蓝宝石、s i c 、s i 、z n o 等。蓝宝石的成本较低， 绝缘性能好，具有六方对称性，易于进行处理和生长前的清洗，耐高温，但是与 g a n 的晶格失配( 1 3 ) 和热膨胀失配较大，热导率低。s i c 的成本高，但是绝缘 性能比较好，与g a n 的晶格失配小( 3 5 ) ，热导率高。s i 的成本低、尺寸大， 1 0 a i g a n g a n 异质结材料特性与h e m t 器件研究 但是与g a n 的热失配很大。目前，应用最广泛的衬底仍然是蓝宝石和s i c 。在制 备准晶g a n 衬底方面，m a r u s k a 等在2 0 0 3 年报告了采用h v p e 法在l i a l 0 2 衬底 上生长、再将其与衬底分离获得的直径为5 0 n m 、厚度为3 0 0 - - - 4 0 0 9 m 的( 1 0 1 0 ) 面 g a n 外延层，这是一个重大的突破。表2 2 比较了g a n 、a i n 与这些常用材料的 相关性质。 表2 1g a n 材料外延薄膜的主要生长方法 表2 2g a n 、a i n 与几种衬底材料的性质比较 第二章g a n 基材料及其异质结特性 2 2g a n 材料的缺陷 通常，在g a n 外延薄膜中有大量的缺陷，包括由生长技术或掺杂带来的点缺 陷以及由衬底失配带来的缓冲层缺陷和位错。 外延g a n 中的残余杂质主要有h 、o 、c 和n 空位。在氮化物生长过程中， h 的可能来源非常多，在刚生长出来的氮化物薄膜中，h 的含量是相当高的。h 对 氮化物材料的不利影响主要是其与m g 形成中性络合物，补偿了空穴从而造成高 阻，这也是g a n 的p 型掺杂难以实现的原因之一。目前，使m g 受主“脱氢 的 办法主要包括退火，用低能电子束辐照( l e e b i ) 注入少子，以光子能量高于禁带 宽度的光照射样品。0 在g a n 中是一种浅施主，它强烈地影响着材料的背景载流 子浓度。o 的来源通常是m o c v d 生长过程中气态前驱体和载气，也可能是反应 室石英腔体的产物。还有一个可能的来源是蓝宝石衬底( a 1 2 0 3 ) ，对衬底的h 2 预 处理可能会产生水，g a n 生长过程中蓝宝石里的o 也可能扩散出来进入到g a n 中。 c 是g a n 中的两性杂质，这在理论计算和实验上都得到了证实。c 在m o c v d 生 长的g a n 中的主要残余杂质之一，它通常来自于m o 源前驱体。从实验上观察到 g a n 材料的黄带发光现象与c 有密切的联系【l 7 1 ，n 空位( v n ) 在氮化物材料中是 一种原生的点缺陷，理论计算表明，v n 具有浅施主的作用，其电离能约为4 0 m e v ， 实验也说明，材料生长时当n g a 源流量之比增大，则材料电阻随之增大。 蓝宝石衬底与g a n 材料较大的晶格失配使在蓝宝石上直接生长g a n 时，会在 两者之间的界面上形成一个具有高密度缺陷的缓冲层区域。根据透射电子显微术 ( t e m ) 的研究结果，蓝宝石上生长的g a n 材料的晶格缺陷主要是晶粒间界、反 型畴边界和位错。在s i c 和z n o 上生长的g a n 材料具有类似的缺陷，但是总的密 度要比在蓝宝石上低一些。缓冲层不仅会影响随后生长的g a n 基异质结的质量， 该区域的各种晶格缺陷还能够俘获电子，从而影响2 d e g 密度，而且在较高温度 下会对a i g a n g a nh e m t 器件形成旁路电导。目前，先在衬底上生长一层a i n 或 g a n 等材料的成核层再外延生长高质量的g a n 或异质结薄膜已经成为标准的材料 生长方式，但是即使是这样仍然有成核层和缓冲层底部缺陷密度高的问题。 对生长在蓝宝石和s i c 上的纤维锌矿g a n 材料，位错是可以从衬底一直延伸 到材料表面的缺陷，包括刃位错、螺旋位错和混合位错。位错是氮化物材料中应 力释放从而产生应变驰豫的主要途径。通常位错密度的典型值为1 0 1 0 1 1 c m 2 。位 错削弱了极化效应的影响，在g a n 基异质结中沿外延方向的刃位错还会影响2 d e g 的局部面电子密度和迁移率，对h e m t 器件不利。位错限制了深紫外光电子器件 所需的高a l 组分氮化物材料的厚度。位错对材料的热导率也有不利影响。 e l o g 技术是在已有一定厚度的g a n 缓冲层上方以开窗口的s i 0 2 或s i m 掩膜 a i g a n g a n 异质结材料特性与h e m t 器件研究 限定生长区域，然后继续进行气相淀积让各个窗口中的g a n 长出窗口后横向生长 彼此合并的生长方式，通过掩膜层对位错的阻挡作用和窗口中位错的转向及位错 环闭合实现位错的湮灭从而降低延伸缺陷的密度。在成核层采用脉冲原子层外 延( p a l e ) 技术也具有位错过滤器的作用，可以将螺旋位错控制在成核层范围内 并大大降低刃位错的密度。 2 3a 1 g a n g a n 异质结中的二维电子气 2 31g a n 中的极化效应 通常用于制作h e m t 器件的g a n 和a i g a n 晶体为纤维锌矿，如图21 所示。 其晶体结构属于c s ，空间点群，具有唯一的对称抽，即极轴，因而其在没有应力的 条件下具有自发极化。又因晶体结构中没有中心对称性，具有压电极化。当没有 外加电场时，总极化场为： = p + p r , l( 2 一1 ) a 、 s u b e ”a 艳s u d s t r a t e 图2i 纤维锌矿g a ( a i ) n 晶体结构” 自发极化效应导致g a n 和a i g a n 晶体在没有应变时内部存在极化电场，晶体 两表面分别会出现净极化电荷。其原因在于形成共价键的i i i 族原子与v 族原子电 负性不同，电子向n 原子偏移，产生电偶极矩，形成内建电场。在没有应变仅有 自发极化的情况下，自发极化将沿 0 0 0 t 】方向，负的极化电荷集中在g a 面，正的 极化电荷集中在n 面“q 。压电极化效应指晶格受力形变而产生极化电场。在 a i g a n c r a n 异质结中应力主要来自于晶格失配。沿极轴的压电极化在应变层处于 附压应变时与自发极化方向相同相反。 压电极化p p e 可表示为： 第二章g a n 基材料及其异质结特性 p p e = e 3 3 乞+ e 3 1 ( q + y ) ( 2 _ 2 ) s ：= 0 一c o ) c o 是沿c 轴的应力，平面内应力为s ，= s ，= ( a - a o ) a o 。e 3 3 ，e 3 1 为压 电系数，a o 和c o 为本征晶格常数，a 和c 为应变层的晶格常数。a 1 g a n 应变层中 晶格常数之间的关系为： 一c - c o ：- 2 孚一a - a o ( 2 - 3 ) c ot - 。3 3“o c 1 3 ，c 3 3 是弹性系数，由方程( 3 2 ) ( 3 3 ) 沿c 轴方向的压电极化可表示为： ：2 孚( e 3 1 - e 3 3 争) ( 2 - 4 ) 口o【，3 3 因为a l x g a l 科对于x 变化的整个范围内均有( e 3 1 e 3 3 c 3 1 c 3 3 ) = p p e ( b o t t o m ) 一名e ( t o p ) ) + b p ( b o t t o m ) 一是p ( t o p ) = 仃( 昂e ) + 仃( 忍p ) ( 2 - 6 ) 对于a 1 g a n g a n 极化诱导电荷密度为正( + 盯) 如图( 2 2 ) 所示，自由电子趋向于 补偿极化诱导电荷，导致形成面载流子浓度为 s 的2 d e g 。 考虑应变驰豫对压电极化的影响，对于厚度为3 0 n m 的势垒层应变驰豫度可表 示为： f o ，o x o 3 8 厂 ) = 3 5 x - 1 3 3 ，o 3 8 s z o 6 7( 2 - 7 ) 【 1 ，0 6 7 x 1 则压电极化可表示为： 州- 2 【以) - 1 】掣a 0 c x ) 啪心，器c 3 】 ( 2 - 8 ) 3 【列 a i g a n g a n 异质结材料特性与h e i v i t 器件研究 圈2 2g a 面a i g a n g a n 异质结中的极化效应 2 32g a n 异质结中的二维电子气 垂直于异质结界面的电场造成一个势阱，电子在该方向的运动受到约束，严 格的计算必须求解薛定谔方程。电子在垂直于界面方向的运动应被量子化，其能 量分布为不连续的分立能级。而电子在平行于界面方向的运动是自由的，其能量 连续分布。根据有效质量近似，垂直于界面方向的薛定谔方程为： 卜盖参( 洲：) = 眦) 其中 为异质结势阱中的有效势，由电荷分布来决定，包括电离杂质电荷和电子 电荷。根据泊松方程： 可d 2 v ( z ) = 一等肿) _ _ 等+ p 0 ( 州 ( 2 _ 1 0 ) 式中p d 是电离杂质产生的电荷密度分布，而所是由电子波函数分布产生的： p o ( z ) = 一q n ( z ) ( 2 i 1 ) 碰0 为势阱中电子浓度。精确的电子有效势包含以下四项： v ( z ) = 印( z ) + k ( + 0 ) + k ( ：) ( 2 - 1 2 ) 其中( ：) 是静电势，v h ( z ) 表征由异质结界面不连续造成的有效势能变化，h 。是 镜像感生电势，是局域的交换- 关联势。求解薛定谔方程可得到分立的子带。 考虑所有的子带，温度为r 时势阱中的电子浓度为： 砸) = 警鄹圳2 螂+ 唧墨萨h 3 1 第二章g a n 基材料及其异质结特性 2 3 32 d e g 中电子的来源 异质结中最主要的特性是界面处具有非常高的2 d e g 面密度，即使在未掺杂 时，也可获得高于1 0 1 3 c m 。2 面密度。氮化物异质结中高的2 d e g 归因于强的自发和 压电极化效应。然而，必须强调的是极化效应是由于原胞中束缚电荷的再分配导 致，本身不能直接产生自由电子形成2 d e g 。极化场的作用是促进电子从施主定域 态转移到势垒层中，或在强场下电子也可能从价带转移到界面量子阱中。二维电 子气浓度是影响器件性能的重要因素，然而目前2 d e g 的形成机理并不十分成熟。 一些可能的来源包括非故意掺杂、a 1 g a n g a n 界面的界面态、深能级陷阱、a 1 g a n 表面的表面态。下面采用静电学的基本原理分析2 d e g 的直接来源。图2 3 【2 0 】为 a 1 g a n g a n 异质结的导带示意图。假设该异质结为突变结，这对于我们定性的分 析问题没有任何影响。该结构包含如下的空间电荷组分：( i ) 由2 d e g 中拧s 电子 产生的负电荷；( i i ) a 1 g a n g a n 界面( + 啦) 和表面( - o p z ) 的极化诱导电荷； ( i i i ) a 1 g a n 势垒层中由离子化施主产生的面电荷( + 蚴洲) ；( i v ) 由离子化表 面态产生的电荷( 吣u 触) ；( v ) 缓冲层电荷( a b u 衔) 。 s u r f a c e s t a t e s f i o l a r i z a t i o nc h a r 9 e s 图2 3由不同空间电荷构成的a i g a n g a nh e m t 导带示意图 忽略一些细节，能够得到很多重要的观点。第一，在无外电场的情况下，由 电荷守恒总的空间电荷为0 ；第二，极化诱导电荷形成一个偶极子，对空间总电荷 的净贡献为0 ；第三，通常缓冲层是高阻，卯u 惭= o ，因此可得如下的电荷守恒方 程： q n s = o s u m c c + o a i & a n( 2 - 14 ) 从方程( 2 1 4 ) 可以看出，a 1 g a n g a n 异质结中