（微电子学与固体电子学专业论文）gan基欧姆接触及algangan+hemt器件研究.pdf

摘要 摘要 宽禁带半导体g a n 具有禁带宽度大、击穿场强高、热导率大、电子饱和漂移 速度高等特点，在高温以及微波功率器件制造领域具有极大的潜力。其中，a i g a n g a nh e m t 器件在微波大功率和高温应用方面均具有明显的优势，已经成为当前 研究的热点之一。但是a i g a n g a nh e m t 仍未实现商业化，归根结底主要是因 为对于a i g a n g a nh e m t 器件理论及实验方面的研究工作还不是很细致。为了 进一步提高a 1 g a n g a nh e m t 器件的性能，有必要对其相关的制造工艺进行研 究和优化。本文从g a n 基欧姆接触以及制造方面对a i g a n g a nh e m t 器件进行 了详细的研究。主要研究工作和成果如下： 1 从理论上研究了n g a n 基材料欧姆接触的形成机制和设计原则，确定了 通过优化退火时间，退火温度以及会属层厚度这些参数来获得低阻、热稳定会属 合金的研究方向。 2 研究了测试欧姆接触比接触电阻率的传输线模型( t l m ) 以及圆形传输 线模型( c t l m ) ，并分别为这两种模型提出了改进的测试及计算方法。对于t l m 模型，提高了计算精度，并指出了在不能得到完美的接触退火表面的情况下，应 首选改进的t l m 测试模型来计算欧姆接触参数；对于c t l m ，采用最简单的单 环结构来定义c t l m 模型，有效的减少了计算量，加快了工艺进程。 3 使用单环c t l m 模型制作了n g a n 欧姆接触，出于考虑h b t 的p 型欧姆 接触电极形成的退火温度为5 5 0 ，只对5 5 0 9 c 下不同t i a i 比例的n g a n 的欧姆 接触进行了研究，确定了最优的t i l a i 比例为1 ：6 。 4 研究了退火温度对p g a n 欧姆接触的影响以及会属比例对p g a n 欧姆接 触的影响，得到了最佳的p g a b 欧姆接触退火温度和金属比例，获得了1 0 。量级 的p g a b 欧姆接触比接触电阻率。 5 研究了退火条件对n a i g a n g a n 异质结欧姆接触特性的影响，确定了一 种能够大幅提升欧姆接触性能的退火条件：采用在8 3 0 c ，3 0 s 退火之后再进行 2 0 0 ，1 0 m i n 的加热的方法对t i a i n i a u 欧姆接触进行退火。结果表明：r l 曲线线形非常好，比接触电阻率从l o 。5 减小到1 0 西量级，方块电| j h 较稳定，基本 不存在不击穿现象。 研究了温度对n a i ( 3 a n g a n 异质结欧姆接触的影响，结果表明：温度对比接 触电阻率的影响不大，而方块电阻则随着温度的升高而增大，这主要是因为当温 度升高时，薄层电荷密度几乎不变，而迁移率随温度升高而下降造成的。 g a n 基欧姆接触及a i g a n g a nh e m t 器件研究 6 通过制备不同a l 组分( x = 0 1 5 ，0 2 7 ，0 3 5 ，0 4 ) 的a l 。g a l - x n g a n 异质结材 料，分析了不同a l 组分材料的电学特性，研究了a l 组分对欧姆接触的影响，并 在此基础上制备了a 1 x g a i x n g a nh e m t 器件，采用h p 415 6 c 对器件进行了直流 特性测试，得到了器件性能随a l 组份的变化趋势，从实验角度验证了理论的币确 性。并从结构上改变x = 0 4 的高a l 组分a i 。g a i - x n g a n 异质结材料，2 d e g 迁移 率和面密度大幅上升，从原来的7 3 3 6 c m 2 v s 和1 3 4 x 1 0 1 3 c m 七分别提高为9 3 9 c m 2 v s 和2 o l 1 0 1 3 c m - 2 ，提高幅度分别为2 8 和5 0 。制成器件的最大漏电流 从原来的6 1 6 7 m a m m 变成了9 2 8 3 m a m m ( 增加了5 0 ) ，峰值跨导从原来的 1 1 3 7 m s r a m 增加到了1 5 4 1 m s m m ( 增加了3 5 5 ) ，说明采用合适的a i g a n g a n 异质结构，增大a l 组分是可以进一步提高器件性能的，为迸一步研究和优化 a 1 g a n g a nh e m t 器件性能奠定了基础。 研究了温度对a 1 g a n g a nh e m t 器件性能的影响，结果表明：漏电流和跨 导随着温度的升高而降低。 综上所述，本文成功地研究了不同g a n 基材料的欧姆接触，优化和完善了 n g a n 、p - g a n 、n a 1 g a n g a n 欧姆接触的会属比例、退火条件以及测试方法； 制造了不同a l 组分的a i g a n g a n 异质结材料，并成功做出了h e m t 器件；对欧 姆接触和h e m t 器件进行了高温研究，得到了其随温度变化的规律。 关键词：g a n ，欧姆接触，高电子迁移率场效应管，a l 组分 a b s t r a c t a b s t r a c t g a nh a sw i d e ，d i r e c tb a n d g a p ，h i g hb r e a k d o w nf i e l da n dh i g he l e c t r o ns a t u r a t i o n v e l o c i t y t h e s ef u n d a m e n t a le l e c t r o n i cp r o p e r t i e sm a d eg a na ni d e a lc a n d i d a t ef o r h i g hp o w e r m i c r o w a v ed e v i c e sm a n u f a c t u r i n g a t g a n g a nh e m ti so fg r e a ti n t e r e s t f o ri t sp o t e n t i a li nh i g hp o w e ra n dh i g ht e m p e r a t u r ea p p l i c a t i o n s b u ti th a sn o t r e a l i z e dc o m m e r c i a l ，b e c a u s ea i g a n g a nh e m ti nt h e o r ya n de x p e r i m e n ti sn o t r e s e a r c h e di nd e t a i l i t sn e c e s s a r yt oo p t i m i z et h ep r o c e s st e c h n o l o g i e st oe n h a n c et h e p e r f o r m a n c eo fa i g a n g a nh e m t i nt h ed i s s e r t a t i o n ，a i g a n g a nh e m ti ng a n b a s e do h m i cc o n t a c t sa n df a b r i c a t i o ni sr e s e a r c h e di nd e t a i l t h em a j o ra c h i e v e m e n t s a r e1 i s t e d 1 f i r s t l y ，c o n t a c t sm e c h a n i s m sa n dd e s i g np r i n s i p l e so fo h m i c c o n t a c t st on - g a n b a s e dm a t e r i a l sa r es t u d i e d a no p t i m i z a t i o no ft h er t at i m e ，t h er t at e m p e r a t u r e ， a n dt h em e t a lt h i c k n e s s e sw o u l db ev e r yc r u c i a lt oe n s u r et h ef o r m a t i o no ft h em o s t d e s i r a b l e ，r o b u s t ，a n dt h e r m a l l ys t a b l ei n t e r m e t a l l i ca l l o y s t h ed i r e c t i o no fr e s e a r c h h a sb e e nc o n f i r m e d 。 2 s e c o n d l y , t h et r a n s m i s s i o nl i n em o d e l ( t l m ) a n d c i r c u l a rt r a n s m i s s i o nl i n e m o d e l ( c t l m ) w h i c ha r et h em e a s u r e m e n t so fs p e c i f i cc o n t a c tr e s i s i t a n c e ( pc ) a r e s t u d i e d a n ds o m ei m p r o v e m e n t so ft h e ma r es h o w n f o rt l m ，t h ep r e c i s i o no fr e s u l t s i se n h a n c e da n dt h en e wm e a s u r e m e n ts h o u l db ec h o s e ni fw ec a nn o to b t a i nt h e p e r f e c tc o n t a c t sa n n e a l i n gs u r f a c e f o rc t l m ，u s i n gt h es i n g l e c i r c l es t r u c t u r e ，t h e c a l c u l a t i o ni sr e d u c e de f f e c t i v e l ya n dt h ep r o c e s si ss h o r t e d 3 t h ec o n t a c t so nn - g a na r ef a b r i c a t e du s i n gt h es i n g l ec i r c l ec t l m a c c o r d i n g t ot h er t a t e m p e r a t u r eo ft h ec o n t a c t so np g a ni s5 5 0 w es t u d yt h ec o n t a c t so n n g a nw i t hd i f f e r e n tt i a iu n d e rt h ea n n e a l i n gt e m p e r a t u r e5 5 0 。ca n do b t a i nt h e o p t i m i z e d t i a i = 1 ：6 4 t h ei n f l u e n c eo fr t at e m p e r a t u r ea n dt h i c k n e s so fm e t a ll a y e r so fo h m i c c o n t a c t st op g a ni so p t i m i z e d ，a n dt h es p e c i f i cc o n t a c tr e s i s t a n c ei sa c h i e v e d10 。 5 t h ei n f l u e n c eo fr t at e m p e r a t u r eo nt h ep e r f o r m a n c eo fo h m i cc o n t a c t st o n - a i g a n g a nh e t e r o s t r u c t u r ei ss t u d i e d ，a n da n n e a l i n gm e t h o d t o i m p r o v et h e p e r f o r m a n c eo fo h m i cc o n t a c t st on - a 1 g a n g a nh e t e r o s t r u c t u r eh a sb e e no b t a i n e d a n dt h el i n e a r i t yo ft o t a lr e s i s t a n c ev e r s e st h ed i s t a n c eo fp a d si sp r e t t yg o o d ，t h e g a n 基欧姆接触及a i g a n g a nh e m t 器件研究 s p e c i f i cc o n t a c tr e s i s t a n c ei sr e d u c e df r o m10 。5t o10 - 6 t h es h e e tr e s i s t a n c ei ss t a b l ea n d n ou n b r e a k d o w ni se x s i t e d t h ei n f l u e n c eo f t e m p e r a t u r e o nt h e p e r f o r m a n c eo fo h m i cc o n t a c t s t o n - a i g a n g a nh e t e r o s t r u c t u r ei ss t u d i e d w ef o u n dt h a tt h ei n f l u e n c eo ft e m p e r a t u r e o ns p e c i f i cc o n t a c tr e s i s t a n c ei sr e m o t e b u tt h es h e e tr e s i s t a n c ei si n c r e a s e dw i t ht h e r i s i n gt e m p e r a t u r eb e c a u s eo ft h er e d u c e dm o b i l i t y 6 a l x g a l x n g a nh e t e r o s t u c t u r e sw i t hd i f f e r e n ta i - c o n t e n t ( x = o 。1 5 ，0 2 7 ，0 3 5 ，a n d 0 4 ) a r ef a b r i c a t e da n dt h ee l e c t r i c a lq u a l i t yo ft h em a t e r i a l si sa n a l y z e d t h ei n f l u e n c e o fa i c o n t e n to np e r f o r m a n c eo fo h m i cc o n t a c t st on - a i g a n g a nh e t e r o s t r u c t u r e i s s t u d i e d b a s e do nt h e s em a t e r i a l s ，a i x g a l x n g a nh e m t sa r e a n a l y z e db y h p 415 6 c t h et e n d e n c yo ft h ep e r f o r m a n c e so ft h ed e v i c ew i t hd i f f e r e n ta i c o n t e n ti s o b t a i n e d t h r o u g ht h ec h a n g eo fs t r u c t u r eo fx = 0 4h i g ha i c o n t e n ta i x g a l x n ga _ n h e t e r o s t u c t u r e ，t h em o b i l i t ya n dt h es h e e td e n s i t yo f2 d e ga r ei m p r o v e d ，f r o m 7 3 3 6 c m 2 v st o9 3 9c m 2 v sa n d1 3 4 x1 0 1 3 c m 五t o2 0 1 1 0 1 3 c m - 2 , r e s p e c t i v e l y t h e p e r c e n t a g eo ft h e ma r er e s p e c t i v e l y2 8 a n d5 0 ；t h em a x i m u md r a i nc u r r e n ta r e c h a n g e df r o m6 16 7 m a m mt o 9 2 8 3 m a m m ( r i s e db y5 0 ) ，a n dt h em a x i m u m t r a n s c o n d u c t a n c ea r ec h a n g e df r o ml1 3 7 m s m mt o1 5 4 1 m s m m ( r i s e db y3 5 5 ) i t i ss h o w nt h a tt h ei n c r e a s i n ga i c o n t e n to fm a t e r i a lc a ni m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h e h e m t sb yu s i n gt h ep r o p e rh e t e r o s t r u c t u r e t h e s er e s u l t sa r et h eb a s i so fr e s e a r c h i n g a n do p t i m i z i n gt h ep e r f o r m a n c e so fa i g a n g a nh e m t t h ee f f e c t so ft e m p e r a t u r eo na 1 g a n g a nh e m t sa r eo b t a i n e d a n di ti ss h o w n t h a tt h ec u r r e n to fd r a i na n dt r a n s c o n d u c t a n c ea r ed e c r e a s e du n d e rt h e h i g h t e m p e r a t u r e a b o v ea l l ，i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h eo h m i cc o n t a c t so fd i f f e r e n tg a nb a s e d m e t e r i a l sa r es t u d i e d t h em e t a l l i z a t i o n s ，r t ac o n d i t i o n sa n dm e a s u r e m e n t so fn - g a n ， p - g a n n a i g a n g a nh a sb e e no p t i m i z e d t h em a t e r i a l so fd i f f e r e n ta i - c o n t e n t a l g a n g a nh e t e r o s t r u c t u r et h eh e m t so ft h i sm a t e r i a l sa r ef a b r i c a t e d t h ee f f e c to f h i g ht e m p e r a t u r eo no h m i cc o n t a c t sa n dh e m t sa r es t u d i e d k e yw o r d ：g a n ，o h m i cc o n t a c t ，h i g h e l e c t r o n m o b i l i t yt r a n s i s t o r , a 1 c o n t e n t 创新性声明 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，本人承担一切相关责任。 本人签名：日期垫三! ：! ! 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| 日j 论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证 毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大 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。( 保密 的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密在 年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： f l 其, a 至堕! ：生 r 期 兰! 互：丝 第一章绪论 第一章绪论弟一早珀t 匕 1 1g a n 基材料的应用 无线通信技术正在以极快的速度渗透到人类生活的几乎全部领域。在当今的 无线通信领域，微波功率晶体管发挥着尤其重要的作用。经过2 0 多年的发展，作 为化合物半导体微波功率器件的g a a sm e s f e t ，其性能几乎已经达到了材料的极 限。 为了满足未柬无线通信应用( 特别是无线基站、雷达等) 对高频大功率器件 的需要，从二十世纪九十年代初开始，研究人员开始将研究的重心转向宽禁带半 导体器件【1 2 】。表1 1 给出了几种重要的半导体材料的基本参数1 1 3 1 。从中可以看出， 同s i 、g a a s 相比，宽禁带半导体具有独特的、优越的材料特性，如禁带宽度大、 击穿场强高、电子漂移饱和速度高、介电常数小、导热性能好等特点，从而使得 宽禁带半导体材料非常适合于高频大功率应用。 表1 1儿种重要的半导体材料的基本参数 禁带电子击穿饱和 熔点热导率 带隙类型宽度迁移率场强介电常数速度 ( )( w k c m ) ( e v ) ( c m 2 n s )( v c m )( c m s ) s i 间接 1 1 21 4 2 01 4 01 3 5 06 0 1 0 51 1 91 0 x 1 0 。 g 以s 直接 1 4 31 2 3 80 5 48 0 0 06 5 x 1 0 51 3 22 0 1 0 s i c 间接 2 9 92 8 3 04 9 01 0 0 03 5 x 1 0 69 72 0 x 1 0 金刚彳了 间接 5 5 04 0 0 02 0 0 02 2 0 05 52 7 x 1 0 z n s e直接2 5 81 5 0 01 0 08 1 g a n 直接3 3 61 7 0 01 5 09 0 05 0 1 0 68 92 5 x 1 0 通常用于表征半导体材料高频大功率应用潜力的指标有两个：j o h n s o n 品质因 数【1 4 】和b a l i g a 品质因数”】。 j o h n s o n 品质因数的表达式为 j m f ：垡 4 刀 其中，e b 为击穿场强，v s 为电子漂移饱和速度。 b a l i g a 品质因数的表达式为 三 g a n 基欧姆接触及a i g a n g a nh e m t 器件研究 b f o m = 8 0 肛； 表1 2 给出了以s i 的品质因数作为单位“1 ”，然后利用表1 1 中数据得到的 j o h n s o n 品质因数平l l b a l i g a y n 质因数。从表1 2 中明显可以看出，宽禁带半导体s i c 和 g a n 都非常适合于高频大功率应用。 表1 2 儿种重要的半导体材料的高频人功率应用潜力 s ig a a ss i cg a n j m fll l4 1 07 9 0 b f o ml1 63 41 0 0 i i i 族氮化物主要包括g a n 、a i n 、i n n 、a i g a n 、i n g a n 、i n a l n 和i n a l g a n 等。 其禁带宽度覆盖了红、黄、绿、蓝、紫和紫外光谱范围。通常情况下，它们以六 方对称性的纤锌矿结构存在，但在一定条件下也能以立方对称性的c j j 锌矿结构存 在。两种结构的主要差别在于原子层的堆积次序不同，因而电学性质也存在着显 著的差别【1 3 】。 g a n 是i i i 族氮化物中的基本材料，是目前研究最多的i i i 族氮化物。g a n 非常坚 硬，其化学性质十分稳定，在室温下不溶于水、酸和碱。其熔点较高，约为1 7 0 0 。 g a n 的电学性质是决定器件性能的主要因素，室温下的电子迁移率目自订几，以达到 9 0 0 c m 2 v s 。g a n 的电子饱和漂移速度高达2 5 1 07 c m s ，介电常数不大，适合微波 功率器件的制作。g a n 的击穿场强i ：l , g a a s 矛i s i 的击穿场强大很多。另外，衬底的 绝缘性能和散热性能良好，其热导率远大于g a a s 而略大于s i ，有利于器件在高温 和大功率下工作。但是在过去的很长一段时问罩，g a n 因为受到没有合适的单晶衬 底材料( 蓝宝石衬底与g a n 的晶格失配高达1 5 ) 、位错密度太大( 约为z n s e 的1 0 7 倍) 、n 型本底载流子浓度太高和无法实现p 型掺杂等问题的困扰，曾经被认为是 一种没有希望的材料，因而发展十分缓慢。 随着材料生长技术和器件工艺水平的不断发展和完善，g a n 基器件的发展十分 迅速。现在较好的g a n 样品的本底n 型载流子浓度可以降低到1 0 1 6 c m o 左右。1 9 8 8 年a k a s a k i 等人首先通过低能电子束辐照( i e e b i ) ，实现了掺m g 的g a n 样品表面p 型化。随后n a k a m u r a 采用热退火处理技术，更好更方便地实现了掺m g i 拘g a n 样品 的p 型化，目前已经可以制备载流子浓度为1 0 1 0 2 0 c m 3 的p 型g a n 材料【1 引。 同s i c 相比，虽然g a n 的热导率没有s i c 的高，但是g a n 去p 有着更高的电子迁移 率。更为重要的是，g a n 可以形成调制掺杂的a i g a n g a n 异质结，由于极强的压 电极化电场和自发极化电场的存在【i 酬，即使是在没有任何掺杂的情况下，在 a i g a n g a n 异质结的界面也可以形成高密度的二维电子气( 2 d e g ) ，同时该二维 第一章绪论 三 电子气具有很高的迁移率( 大于1 5 0 0 c m 2 v s ) ，可以获得极高的峰值电子速度 ( 3 0 x 1 07 c r n s ) 和饱和电子速度( 2 0 1 0 7 c m s ) 。 现在有研究已经表明，s i cm e s f e t 微波功率器件的截止频率和最高振荡频率 都在2 0 g h z 范围以内，所以s i cm e s f e t 微波功率器件最适合在7 g h z 以下的频率范 围内使用。而出于在a i g a n g a n 异质结界面形成的二维电子气具有很高的迁移率 和面密度，所以a l g a n g a nh e m t 器件更适合于高频大功率应用，而且可以利用 s i c 的高热导率特性，在s i c 衬底上生长a i g a n g a nh e m t 器件结构。a i g a n g a n h e m t 器件已经被认为是1 - - - 5 0 g h z 范围内最为理想的微波功率器件。 另外，由于在材料生长工艺和器件工艺技术方面，g a n 领先于其它宽禁带半导 体( o n s i c 并1 3 金刚石) ，所以在高频大功率应用中o a n 器件更具吸引力。因此，g a n 微波功率器件，特别是a i g a n g a nh e m t 器：件在国外得到优先的研究【l1 5 1 2 7 1 。 g a n 薄膜材料在蓝光、绿光l e d ，蓝色激光器及紫外探测器等领域同样具有 诱人的应用前景。基于i i i 族氮化物的紫外光电探测器具有十分优越的性能，由于 g a n 材料在3 6 5 n m ( 紫外光) 波段具有很锐利的截止波长，因此降低了对滤波器 的要求，这使得g a n 基的光探测器能够在不受长波长辐射的影响下，在紫外光波 段监测太阳盲区的特性【l 。3 ，1 f 7 j 。 1 2g a n 晶体的生长 制备高质量的g a n 体晶材料和晶体薄膜材料，是研究丌发i i i 族氮化物发光器 件、电子器件以及保证器件性能和可靠性的前提条件。 1 2 1o a n 体晶生长技术 直以来，高质量g a n 体晶材料的制备是制约g a n 半导体技术发展的最重要的 因素。因为g a n 的熔点高，所以很难采用熔融的液体g a n 制备体晶材料，即使采用 了高温、高压技术，也只能制备出针状或小尺寸的片状g a n 晶体。目前仍在丌展生 长大尺寸g a n 体晶材料的研究工作。 目前有两$ 中g a n 体品生长方法得到了比较广泛的研究，一种是高氮压熔法 ( h n p s ) 【1 7 1 ，另一种是a m m o n o 法【1 引。 然而目前g a n 体晶生长仍然存在着大量的问题：晶体生长的各向异性、g a 面 和n 面极性的不稳定、细胞状生长、边缘成核等，从而导致目前的g a n 体晶均存在 小块状形貌、小粒径、晶向一致性不好、晶体缺陷密度高等问题。 因为g a n 体晶生长存在大量的技术难题，很难在短期内得到解决，因此大量的 一4 g a n 基欧姆接触及a i g a n g a nh e m t 器件研究 研究转移到了g a n 晶体薄膜外延生长上。 1 2 2g a n 晶体薄膜外延生长技术 g a n 晶体薄膜外延生长有同质外延生长和异质外延生长两种。 目前同质外延生长使用的衬底材料大多数是采用m o c v d 或h v p e 方法得到的 质量不是特别高的异质外延g a n 薄膜，少量的则是采用g a n 体晶。 和同质外延生长不同的是，异质外延生长中外延材料和衬底材料之白j 总是存 在晶格失配和热失配。为了消除晶格失配和热失配的影响，通常在生长过程中都 会在外延材料和衬底材料之i 白j 加入一个很薄的缓冲层，用于释放晶格失配和热失 配所产生的品格应力。 异质外延使用的衬底材料主要有蓝宝石、s i c 、s i 、g a a s 和z n o 等。目前研究 最多的衬底材料依次为蓝宝石、s i c 平1 s i 。 无论是g a n 的同质外延还是异质外延，采用的生长技术都是一样的，通常有三 种：m o c v d 、m b e 和h v p e 。 ( 1 ) 金属有机物化学气相淀积( m e t a l o r g a n i cc h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ：m o c v d ) m o c v d 是在气相外延生长( v a p o rp h a s ee p i t a x y ：v p e ) 的基础上发展起来的 一种新型的气4 目j , i - 延生长技术。它以i i i 族、i l 族元素的有机化合物和v 、v i 族元素 的氢化物等作为晶体生长的源材料，以热分解反应方式在衬底上进行气4 g a n ( s ) + 肥，g ) + h ：q ) h v p e 的一个显著特点就是生长速率高( 3 0 - - 8 0 9 m h ) ，但是膜厚便难以精确 控制，因此h v p e 方法是生长厚g a n 层的很一种好的方法。利用这种方法可以得到 g a n 的体晶材料，即在衬底上异质外延一层很厚的g a n 层，然后通过抛光的方法去 掉衬底就可以获得g a n 体材料【1 1 1 ，1 1 2 , 3 1 。h v p e 方法的一个主要缺点就是生长的 g a n 材料缺陷密度太高，经常处于1 0 怕1 0 。7 c m 一，远高于m o c v d 和m b e 方法生长 的g a n 晶体。另外，反应气体对设备具有腐蚀性，影响g a n 材料纯度的提高。 当然，h v p e 与m o c v d 中的横向外延过生长( e p i t a x i a ll a t e r a lo v e r g r o w t h ： e l o g ) 技术相结合，也可以得到厚的( 最高可达5 0 0 9 m ) 低缺陷密度的g a n 层， 生产高质量的g a n 圆片1 1 1 3 , 1 h j 。 通过上面的分析，我们将三种不同外延生长技术的优缺点归结_ ： 表1 3 中。 表1 3m o c v d 、m b e 、h v p e 的比较 生长技术优势 劣势 缺少原位表征； 原子级界面；原位厚度监控； m o c v d高生长速率：超高质量薄膜； n h 3 消耗域人： 由m g h 复几j 让，n 构决定的p 型m g 掺 高生产量：成本适中。 杂需要进行生长厅彳掺杂激活 ：岂。 原子级界面：原位表征：需要超高真空： 高纯度生长； 低生k 速率( 1 1 5 9 m h ) ； m b e 无氢环境；低温生长：低生产鹫； 可以使川等离子体或者激光进行辅助生长。成本昂贵。 简单的生长技术； 柞平滑界面： 超高生长速率； h v p e 在氢气环境中：1 ：作： 较高质餐的薄膜： 极高温度条件。 准体品g a n 。 从g a n 晶体的质量来比较，m b e 最好，m o c v d 次之，h v p e 最低；但是从生 一6 g a n 基欧姆接触及a i g a n g a nh e m t 器件研究 长速率的方面来比较，h v p e 最高，m o c v d 次之，m b e 最低。 在实际工作中，经常会出现上述三种生长技术结合使用的情况，如以h v p e 和 m o c v d 异质外延生长的g a n 薄膜作为m b e 同质外延的衬底，以h v p e 异质外延生 长的g a n 薄膜作为m o c v d 同质外延的衬底。 对于制造发光器件! t f l g a nl e d ，m o c v d 异质外延生长的g a n 晶体以及各种材 料结构完全可以满足要求，而且一定缺陷密度的存在好像对发光效率并不是坏事。 对于a i g a n g a n 异质结和量子阱材料的生长，m o c v d 和m b e 技术都可以获得满 意的结果。由于m o c v d 生长速率适中，晶体质量也很高，而且设备简单，工艺重 复性好，很适合于批量生产。因此近年来m o c v d 设备成为生长g a n 晶体和a i g a n g a n 异质结材料的首选。 1 2 3 g a n 晶体薄膜外延生长衬底材料的选择 随着异质外延技术的不断进步，现在已经可以在一些特定的衬底材料上外延 生长得到质量较好的g a n 夕i - 延层，这使得g a n 材料体系的应用得到了迅速的发展。 衬底材料的选择对于异质外延g a n 的晶体质量影响很大，由此对器件的性能和 可靠性也会产生重要的影响。缺乏与g a n 品格匹配而且热兼容的合适的衬底材料是 影n l i , j g a n 器件发展成熟的主要困难之一。 在选择衬底材料时通常考虑的因素如下： ( 1 ) 尽量采用同一系统的材料作为衬底： ( 2 ) 晶格失配越小越好： ( 3 ) 材料的热膨胀系数相近； ( 4 ) 用于微波器件时，最好选取微波介质性质良好的半绝缘材料； ( 5 ) 材料的尺寸、价格等因素。 下面简单介绍一些衬底材料的情况： ( 1 ) 蓝宝石( a 1 2 0 3 ) 蓝宝石是目前使用最为普遍的一种衬底材料，它具有与纤锌矿i i i 族氮化物相 同的六方对称性，是研究中非常重要并且经常使用的一种衬底材料。其制备工艺 成熟，价格较低，易于清洗和处理，而且在高温下具有很好的稳定性，可以大尺 寸稳定生产。但是蓝宝石衬底本身并不导电，不能制作电极，其解理较为困难， 晶格常数与g a n 相差1 5 ，而且同g a n 材料的热膨胀系数存在较大的差异。目前以 蓝宝石为衬底的g a n i n g a n 蓝光、绿光l e d 已经实现了商品化，而蓝光l d 也已经 实现了室温条件下的连续波工作。 ( 2 ) s i c 这是另一类非常重要的衬底材料，同蓝宝石相比，s i c 本身即具有蓝光发光特 第一章绪论 一7 性，而且是低阻材料，可以制作电极，其晶格常数和材料的热膨胀系数与g a n 材料 更为接近，并且易于解理。但是s i c 材料价格昂贵。c r e e 公司采用其最新的导电缓 冲层( c o n d u c t i v eb u f f e r ) 技术，使注入电流垂直流过发光层，不仅降低了g a n 蓝 光l e d 的生产成本，而且可以使亮度提高5 0 。 ( 3 ) g a n 这是最为理想的衬底材料，但是目前所能获得的单晶尺寸太小。 ( 4 ) a l n a i n 与g a n 属于同一材料体系，晶格失配仅有2 ，热膨胀系数相近，是g a n 之外的最为理想的衬底材料。目前已经可以制备一定尺寸的a i n 单晶材料，并在其 上外延生长了高质量的g a n g - 延层。 ( 5 ) 氧化物材料 如m 9 0 、z n o 、m g a l 2 0 4 、l i a l 0 2 等。氧化物材料与g a n 的晶格失配小，有些 还能制备低阻材料，其中以z n o 的前景最为过广阔。 ( 6 ) 其它材料 s i 和g a a s 价格便宜，易于解理，容易获得大尺寸材料，可以制作电极，并有 可能实现g a n 器件与s i 禾 g a a s 电路的混合集成，是一类极具发展潜力的衬底材料。 利用目f i i j c o r n e l l 大学研究开发的万能衬底( u n i v e r s a ls u b s t r a t e ) 技术，已经能够在 g a a s 衬底上生长品格失配达到1 5 的高质量的厚外延层。若该技术适用于l i i 族氮 化物的外延生长，它将彻底解决衬底的品格失配问题f 1 3 】。 1 3 本文的研究目标以及内容安排 本文的研究是在国家重大基础研究( 9 7 3 计划) 等项目的支持下所展开的 a i g a n g a nh e m t 器件及相关基础研究。首先从理论的角度研究了g a n 基欧姆接 触的形成机理，设计原则；其次，从实验的角度研究了n g a n ，n a 1 g a n g a n ，p - g a n 的欧姆接触；最后，从实验的角度研究了a i g a n g a nh e m t 的器件性能。具体如 下： 第二章主要介绍了欧姆接触理论及n g a n 基欧姆接触的制作原理，并对测试欧姆 接触比接触电阻的传输线模型t l m 和圆形传输线模型c t l m 的模型进行了改进。 第三章主要介绍了如何在n g a n 、p g a n 上制作出性能优良的欧姆接触，以满 足g a n 基h b t 器件制造n 型电极与p 型电极的要求。研究了退火条件和温度对 a l g a n g a n 异质结欧姆接触性能的影响。 第四章主要介绍了a l 组分对a 1 g a n g a nh e m t 器件特性的影响：介绍了不同 层结构异质结材料对a l g a n g a nh e m t 器件特性的影响；研究了温度对 兰g a n 基欧姆接触及a i g a n g a nh e m t 器件研究 a i g a n g a nh e m t 器件特性的影响。 最后在第五章给出了本文的结论。 第二章欧姆接触理论及测试方法 第二章欧姆接触理论及测试方法 金属与半导体接触时还可以形成非整流接触，即欧姆接触，这是一类重要的 金属半导体接触。欧姆接触是指这样的接触【2 i 】：它不产生明显的附加阻抗，而 且不会使半导体内部的平衡载流子浓度发生显著的改变。从电学上讲，理想的欧 姆接触的接触电阻与半导体样品或器件相比应当很小，当有电流流过时，欧姆接 触上的电压降应当远小于样品或器件本身的压降，这种接触不影响器件的伏安特 性，或者可以说伏安特性是由样品或器件的特性所决定的。在实际中欧姆接触有 十分重要的应用。半导体器件一般都要利用金属电极输入或输出电流，这就要求 在金属和半导体之问形成良好的欧姆接触。在超高频和大功率器件中，欧女坶接触 是设计和制造中的关键问题之一。 2 1 欧姆接触理论 9 一 不考虑表面念的影响，若w m w 。时，金属和p 型半导体