（微电子学与固体电子学专业论文）n面gan外延薄膜生长研究.pdf

摘要 摘要 相比于g a 面g a n 基外延材料 长期以来n 面g a n 基外延材料的表面形貌 与结晶质量均很不理想 然而 通过研究人员的不懈努力 在2 0 0 7 年前后首次通 过m b e 及m o c v d 在蓝宝石和c 面s i c 衬底上实现了较高质量的n 面g a n 基 外延薄膜与h e m t 器件 国内相关研究目前均处于起步阶段 本文的主要工作和 研究成果如下 1 分析了不同应力和层结构下n 面g a n a 1 g a n 异质结的自发极化与压电极 化效应对异质结界面处极化电荷浓度o x 的影响 理论计算得到了由极化电荷感 应出的2 d e g 的浓度n s x 阐述了a l x g a l x n 势垒层厚度及a l 组分对2 d e g 的 浓度的影响 2 根据大量实验并结合国外相关成果探究了m o c v d 外延生长n 面g a n 过 程中一些关键工艺对于晶体生长机理及薄膜质量的影响 并简要对比了实验样品 晶体质量与同期国外领先水平的差距 还介绍了 x p s 或热稳定性 喜 c b e d 表面重构 化学稳定性或c a i c i s s 等判定g a n 外延薄膜极性的方法 3 较为全面 系统的研究了n 面g a n 基材料中位错的形成 分布 生长方 向及组成比例等问题 进而分析了位错对于载流子的输运 复合等行为造成重要 影响 接着对n 面g a n 基材料体内的微观缺陷与宏观缺陷的形成机制及其对外 延薄膜特性的影响做出了详细讨论 从生长机理入手 对比研究了衬底 成核层 极性对g a n 外延薄膜面内应力的影响以及n 面g a n 外延薄膜面内压应力自调节 效应 通过能带理论解释了n 面g a n 与g a 面g a n 外延薄膜p l 谱之间的差异 并通过x r d s e m 测量结果研究了在刻蚀的不同阶段n 面g a n 基材料i y 饥b e 随刻蚀时间下降的主要原因 关键词 n 面g a n生长机理杂质缺陷晶体质量 a b s t r a c t a bs t r a c t n p o l a rg a ne p i l a y e r se x h i b i t e dp o o rs u r f a c em o r p h o l o g ya n dc r y s t a lq u a l i t yi n l o n g t e r ms t u d i e si nc o m p a r ew i t hg a p o l a rg a n h o w e v e r s c i e n t i s t sh a v er e a l i z e d h i g h p e r f o r m a n c en p o l a rg a nh e m tb ym b e a n dm o c v do ns a p p h i r eo rc p o l a r si cs u b s t r a t e s f o rt h ef i r s tt i m ea r o u n d2 0 0 7t h r o u g ht h e i rh a r dw o r k h o w e v e r t h e d o m e s t i cr e s e a r c hw o r k so nn p o l a rg a na r ei nt h ei n i t i a ls t a g e t h ep r i m ew o r ka n d r e s e a r c hr e s u l t sa r ea sf o l l o w s 1 w ea n a l y z e ds p o n t a n e o u sa n d p i e z o e l e c t r i c i t yp o l a r i z a t i o ni n d u c e dp o l a r i z a t i o n c h a r g ew h i c hi sl o c a t e da tt h ei n t e r f a c eo fn p o l a rg a n a i g a nh e t e r o s t r u c t u r eu n d e r v a r i e ss t r a i nc o n d i t i o n sa n dl a y e rs t r u c t u r e s p o l a r i z a t i o ns h e e tc h a r g ed e n s i t yo x w a sc a l c u l a t e di no r d e rt oo b t a i nt h e2 d e gd e n s i t yn s x w h i c hl i e sc l o s et on p o l a r g a n a l g a nh e t e r o s t r u c t u r e 血e r f a c e a n dt h ee f f e c t so ft h et h i c k n e s sa n da lm o o r e f r a c t i o no f a l x g a l x nb a r r i e rl a y e ro nn s x w e r ei l l u s t r a t e d 2 w eh a v ed o n es o m er e s e a r c h e st oa n a l y z et h ei n f l u e n c e so fe s s e n t i a lc r a f to f n p o l a rg a ne p i t a x i a lg r o w t hb ym o c v d o nt h ec r y s t a lg r o w t hm e c h a n i s ma n df i l m q u a l i t ya c c o r d i n gt oo u re x p e r i m e n t sa n dr e l a t e da c h i e v e m e n to v e r s e a s t h eb r i e f d i s p a r i t i e s o ft h ee p i l a y e rq u a l i t yb e t w e e no u rs a m p l e sa n dc o n t e m p o r a n e o u s a d v a n c e ds t a n d a r da b r o a dw e r ee x h i b i t e d i na d d i t i o n m e t h o d so f x p so rt h e r m a l s t a b i l i t y c b e d s u r f a c er e c o n s t r u c t i o n c h e m i c a ls t a b i l i t ya n dc a i c i s s w h i c h a r eu s e dt oi d e n t i f yf i l mp o l a r i t yw e r ei n t r o d u c e d 3 f i r s t c o m p r e h e n s i v ea n ds y s t e m a t i c a lr e s e a r c h e so nt h ed e t a i l sa b o u tf o r m a t i o n d i s t r i b u t i o n g r o w t hd i r e c t i o na n dp r o p o r t i o no fd i s l o c a t i o n f o rn p o l a rg a nw e r e m a d e a c c o r d i n gt ot h i s w ea n a l y z e dt h es i g n i f i c a n te f f e c t so fd i s l o c a t i o no nt h e c a r r i e rt r a n s p o r t a t i o na n dr e c o m b i n a t i o n n e x t t h em e c h a n i s m so ff o r m a t i g no f m i c r o d e f e c t sa sw e l la sm a c r o d e f e c t sw e r es t u d i e da n dt h e i ri n f l u e n c e so ne p i l a y e r p r o p e r t i e sw e r ed i s c u s s e d c o m p a r i s o no ft h ei m p a c t so fs u b s t r a t e n u c l e a t i o nl a y e r a n dp o l a r i t yo nd i f f e r e n c eo fi n p l a n es t r e s ss t a t u sb e t w e e nn p o l a ra n dg a p o l a rg a n w e r es t u d i e d a n dt h e i n p l a n es t r e s s a c c o m m o d a t i o ni nn p o l a rg a nf l i m sw a s i n v e s t i g a t e d f i n a l l y d i f f e r e n c e si np ls p e c t r ab e t w e e nn p o l a ra n dg a p o l a rg a n w e r ee x p l a i n e db yt h e o r yo fe n e r g yb a n db e n d i n ga n dt h ep r i m eo r i g i n so ft h e d e c r e a s e di y i j i b ew i t hi n c r e a s i n ge t c h i n gt i m ew e r ee x p l o r e db yx r da n ds e m 1 2 n 面g a n 外延薄膜生长研究 m e a s u r e m e n t s k e y w o r d s n p o l a rg a n g r o w t hm e c h a n i s mi m p u r i t ya n dd e f e c t sc r y s t a l q u a l i t y 第一章绪沦 第一章绪论弟一早珀 v 匕 1 1n 面g a n 基材料的基本特性 众所周知 最基础的新材料 新器件的研发往往是推动微电子技术发展的根 本动力 以s i g e 为代表的第一代半导体材料和以g a a s i n p 为代表的第二代 半导体材料制造的大量微电子器件与光电器件在电子电路 计算机 通信 照明 等领域发挥了关键作用 是实现信息社会的重要技术基础 2 0 0 0 年以来 随着第 三代半导体材料g a n 的深入研究 人们发现其具有的宽禁带 高击穿电压 高热 导 高饱和电子漂移速度 耐腐蚀和抗辐照等特点 在制作微波毫米波高频器件 大功率器件 抗辐射器件 以及紫外 可见光全波段的发光二极管 l e d 激光 管 l d 和太阳电池等方面有着得天独厚的优势 1 d 3 1 表1 1g a n i n n a i n s i c g a a s s i 等晶体室温下的特性参数 材料特性g a ni n na l n6 h s i cg a a ss i 禁带宽度 3 4o 6 56 22 91 4 31 1 2 e v 击穿电场强度 5 0 1 0 6 3 0 1 0 6 5 8 1 0 63 5 1 0 66 5 1 0 5 6 x 1 0 5 v c m 相对介电常数9 81 5 38 59 71 3 11 1 4 电子迁移率 c m 2 v s 1 0 0 03 2 0 03 0 08 0 06 0 0 01 5 0 0 电子饱和速度 3 1 x 1 0 74 3 1 0 71 7 x 1 0 72 1 0 72 1 0 71 1 0 7 c m s 表1 1 对比了多种常用半导体材料的禁带宽度 击穿场强 相对介电常数 电子迁移率和电子饱和速度等参数 可以看出 第三代半导体材料g a n s i c 相 较于第一代 第二代半导体材料 具有禁带宽度大 击穿场强高 相对介电常数 小 电子饱和速度高等特点 需要特别指出的是 i i i 族氮化物a 1 n g a n i n n 可以按一定比例相互结合形成三元或四元化合物 这些三元或四元化合物的特性 参数取决于它们中a i g a i n 的比例 其禁带宽度可在0 6 5 到6 2 e v 范围连续 可调 这为基于能带工程的器件结构设计提供了绝佳的空间与自由度 g a n 晶体一般呈六方纤锌矿结构或立方闪锌矿结构 六方纤锌矿结构中晶胞 的原子排列是由2 个六方密堆积结构沿c 轴方向平移5 8 c 套构而成 如图1 1 a 2n 面g a n 外延薄膜生长研究 所示 其晶格常数为a 0 3 1 8 9 n m c 0 5 1 8 5 n m 整个晶体由g a n 原子层依次 沿 方向按a b a b a b 顺序堆垛 而立方闪锌矿结构中晶胞的原子排列是2 个面心立方结构沿立方体对角线方向平移1 4 对角线长套构得到的 如图1 1 b 所示 其晶格常数为a 0 4 5 2 n m 整个晶体由g a n 原子层依次沿 方向按 a b c a b c 顺序堆垛 n 图i 1a 六方纤锌矿结构 b 立方闪锌矿结构 纤锌矿结构g a n 晶体的原子排列仅具有c 面内的六方对称性 故不同的晶面 体现的性质也不尽相同 一般分为三类 如图1 2 1 极性面 g a 面 0 0 0 1 n 面 0 0 0 一1 2 非极性面 m 面 1 0 1 0 a 面 1 1 2 0 3 半极性面 1 0 1 1 1 1 2 2 现阶段研究最成熟 应用最多的g a n 基材料绝大多数是基于g a 面的 最主 要的原因是g a 面g a n 基材料容易制备 结晶质量好 而其他的极性 半极性 非极性材料制备较为困难 且晶体质量尚未达到应用级别 但是不能忽略的是 这些极性 半极性 非极性g a n 基材料都有着在一定程度上优越于g a 面g a n 基 材料的特性 例如 理论计算得到的n 面h e m t 的2 d e g 限域性较好 1 4 1 5 欧 姆接触较低 1 6 2 1 理论上基于非极性面的l e d 发光效率更高等 图1 2 纤锌矿结构g a n 晶体中极性面 半极性面 非极性面示意图 2 2 第 章绪论 1 1 1 原子排列结构 钎锌矿结构的g a n 晶体的g a n 原子层呈a b a b 六方层状堆垛 每个g a n 原子都与周围的4 个n g a 原子呈类金刚石四面体结构成键 如图1 3 由于g a n 晶体原子排列沿c 轴是非中心对称的 以平行于c 轴的g a n 键作为参 照 若每一个g a n 键中的n 原子更靠近衬底 则该g a n 晶体为n 面 若每一 个g a n 键中的g a 原子更靠近衬底 则该g a n 晶体为g a 面 1 1 2 极化效应 g a p o t a rn p o l a r 酊 n 图i 3n 面g a n 与g a 面g a n 的原子排列结构示意图 作为极性材料 n 面g a n 的极化效应可分为自发极化p s p 和压电极化p r z 所谓自发极化 指的是由于单位晶胞的正负电荷中心不重合 所以在每一个小的 晶胞中都会产生一个偶极矩p s p 由下向上 由于整个晶体是由无数个晶胞组成 的 对应的偶极矩会叠加等效为一个内建电场 由上向下 如图1 3 中箭头所示 而压电极化指的是在c 轴方向施加张应力或者压应力 改变晶格常数c 或 在c 面内施加张应力或者压应力也能起到类似效果 这样会导致晶胞中正负电荷 中心的相对位置相较于弛豫时发生变化 进而产生一个附加的偶极矩a p p p z 若正负电荷中心相对背离 则a p 与p s p 同向 是相互叠加的 若正负电荷中心相 对拉近 则a p 与p s p 反向 是相互抵消的 矢量叠加后的电场可等效为g a n 晶 体内的电场 l4 1 这样导致n 面g a n 能带在近表面处相较于g a 面g a n 能带向上 弯曲较小 甚至向下弯曲 2 3 0 2 6 1 利用极性面g a n 基材料的强极化效应 可以在非掺杂异质结界面处形成极高 浓度的二维电子气 2 d e g 由于没有大量的施主杂质电离散射 故迁移率较高 相较于g a 面g a n n 面g a n 的内建电场方向恰好与之相反 利用该特性可实现 多种新型器件 比如 n 面g a n 基h e m t 可以不做f 离子注入而实现增强型 h e m t 2 7 2 8 4 n 面g a n 外延薄膜生长研究 1 1 3 杂质原子结合 由于生长方法的局限性 不管m o c v d h v p e m b e 外延的薄膜 亦或是 高温高压液相反应生成的单晶 都会不可避免存在或多或少的非故意掺杂 这些 杂质可以是反应物中或反应室内存在的其他杂质原子或者直接从衬底向上扩散的 杂质原子 比如蓝宝石衬底的o 原子 2 2 2 9 3 5 这些杂质的掺杂浓度可以从 1 0 1 4 1 0 1 9 c m 3 不等 如图1 4 从晶体结构上看 过多的杂质原子会导致晶体原 子周期性排列的紊乱 形成大量缺陷 降低晶体的质量 从能带结构上看 杂质 能级一般会在禁带中引入杂质能级 如 s i o 引入的浅施主能级可以提供大量 自由载流子 c f e 引入的深能级陷阱作为复合中心对器件的光电特性均有一定 影i 向 3 6 3 7 图1 4m o c v d 外延生长的 0 0 0 i g a n 0 0 0 1 g a n 体材料中c s i o h 的杂质含型3 2 1 1 4 欧姆接触 2 d e g g a p o l a rn p o l a r a l n 图1 5 a g a 面 b n 面a i n g a n 异质结金半欧姆接触的结构副2 0 1 2 d e g 第一章绪论5 无论是电子器件还是光电器件都需要连接电极来应用 而电极处金半接触的 质量和特性在很大程度上决定了器件的输出特性 如图1 5 较低的欧姆接触对载 流子的漂移影响较小 电信号能较完整的进行传递 相反 过高的欧姆接触甚至 是肖特基接触会对载流子的漂移形成阻挡 电信号的传输就可能失真 1 2n 面g a n 基材料的制备及应用 1 2 1n 面g a n 基材料的制备 与g a 面g a n 基材料类似 n 面g a n 基材料的制备一般采用m o c v d m b e h v p e 等外延方法 但使用的衬底或初期生长工艺与g a 面g a n 有所区别 3 昏 j 此外 也可通过高温高压下将n h 3 通入液态g a 源的方法制备出单晶n 面g a n 还有学者以外延制备的g a 面g a n 为模板 在上面h v p e 几十甚至几百微米的外 延层 然后将衬底激光剥离 倒置即得到弛豫的n 面g a n 5 5 5 6 表1 2 简介了各 种制备工艺的关键及该方法制备的材料的特点 表1 2n 面g a n 基材料外延工艺概要 5 7 1 制备方法衬底关键步骤制备方法及材料特点 m o c v d s a p p h i r e 生长初期的氮 生长速度适中 外延薄膜质量 c p o l a rs i c 化 退火工艺较好 极性控制较难 m b e s a p p h i r e 无a l n 成核层 生长速度慢 外延薄膜质量好 c p o l a rs i c 极性控制容易 h v p e s a p p h i r e 生长速度快 外延薄膜质量较好 液相反应法生长条件苛刻 单晶材料质量 好 尺寸较小 光洁平整 的表面为n 面 沉底剥离法 s a p p h i r e 衬底剥离需较厚的外延厚度保证衬底剥 s i p o l a rs i c 离后材料自支撑 剥离工艺较 复杂 外延薄膜应力小 极性 控制容易 1 2 2 n 面g a n 基材料的应用 应用上 用n 面g a n 基材料制作的各种探测器 h e m t m e s f e t l e d 等 器件均展现出了优异的性能 近年也涌现出了横向极性异质结 l p h s 等新型结 6n 面g a n 外延薄膜生长研究 构 5 8 6 1 更多的科学家尝试着打破传统思维 在图形衬底上实现不同区域不同极 性的生长 将不同极性g a n 材料的特性与器件各部分的工作原理完美的结合起 来 实现新的突破 欧姆接触好 离叛 鼍流器件 面化学活性高i 4各种探测器 酗蓑擎黻h 不 豁 图1 6n 面g a n 基材料的特性及应用 1 3n 面g a n 基材料的发展与瓶颈及展望 长期以来 由于各种方法制备的n 面g a n 普遍晶体质量较差 无法达到器 件应用级别 人们将注意力更多的集中在g a 面g a n 基材料的研发上 导致n 面 g a n 基材料的研究相对滞后 所以 基本上在2 0 0 5 年之前n 面g a n 相关的研究 工作集中于晶体质量 表面形貌 杂质结合 能带结构等方面 之后 由于生长 工艺的进步 n 面g a n 基材料的质量终于达到器件应用级别 除了应用于耗尽型 h e m t 高频功率管 l e d 等传统器件外 还在增强型h e m t 非离子注入 隧穿器件 直流器件 高速开关等领域展现了自身的优势 然而 不能忽略的是 现阶段外延制备n 面g a n 还存在一些主要问题 比 如极性的控制 非故意掺杂的o 杂质浓度高导致的高自由载流子浓度 需选用大 角度的斜切衬底来抑制六方等 虽然还存在着诸多问题 但是随着研发的投入 工艺的进步 其本身独特的优势必将会完全发挥出来 届时 理论上n 面g a n 基材料欧姆接触好 异质结二维电子气限域性好 迁移率高 极化方向与g a 面 g a n 相反 对其他杂质原子的结合能力不同 可通过图形化生长与g a 面g a n 兼 容等特性将会应用于各种新型器件 推动电子 通讯 照明等相关行业的发展 慧一 攀 第一章绪论 1 3 1n 面g a n 基材料的发展 从2 0 世纪8 0 年代起直到现在 有关n 面g a n 基材料制备的研究工作一直 在持续 制备方法主要采用m o c v d 和m b e 外延技术 外延薄膜质量随工艺改 进逐步提高 现阶段薄膜主要质量指标 如位错密度 平整度 异质结处2 d e g 的浓度和迁移率等 己接近或达到g a 面g a n 水平 此外 h v p e 外延 和液相 反应单晶制备法也有少量报道提及 特别的 在生长g a 面g a n 时进行一定厚度 的高浓度m g 掺杂 1 0 2 0 c m 3 也可改变外延薄膜极性并获得n 面g a n t 3 2 最近 还出现了将g a 面g a n 外延片的衬底激光剥离后倒置得到n 面g a n 的报道 5 5 1 在n 面g a n 外延技术当中 衬底的选用对外延薄膜质量有着重要影响 初 期外延的衬底采用 c 面蓝宝石衬底 c 面s i c 衬底 s i 面s i c 衬底 这些衬底 加工比较容易 但是外延出的薄膜质量较差 且表面布满六方缺陷 后来随着研 究不断深入 出现了晶格失配小 热失配小的自支撑g a n a 1 n 单晶衬底 以及 尺寸大 成本低的s i 衬底 还有改良后斜切的c 面蓝宝石衬底 c 面s i c s i 面 s i c 衬底 较为有效地提高了薄膜结晶质量 并显著改善了晶体表面形貌 表1 3 a b 列举了不同时期的研究人员用不同工艺在不同衬底上制备n 面g a n 的实例 表1 3 c 对比了不同衬底的晶格失配 规格质量 成本等特点 表1 3 a 不同时期研亢人员用m o c v d m b e h v p e 等 常规方法在不同衬底上制各n 面g a n 的实例 年份研究人员代表制各工艺衬底 1 9 9 6r o u v i e r em o c v d c s a p p h i r e 2 0 0 2z a u n e rm o c v d n p o l a rb u l kg a n 2 0 0 7k e l l e rm o c v do f f c u tc s a p p h i r e 2 0 0 8b r o w nm o c v dc s i c 1 9 9 6r a m o n om b e c s a p p h i r e 2 0 0 2 k u b om b e n p o l a rb u l kg a n 2 0 0 4 m o n r o y m b ec s i c 2 0 0 4 g o g n e a u m b e n p o l a rb u l ka 1 n 2 0 0 9 d i m i t r a k o p u l o s m b es i 11 1 2 0 0 3h a g e m a nh v p e m o c v d g r o w nn p o l a r g a n t e m p l a t e 2 0 0 5t u o m i s t oh v p e n p o l a rb u u g a n 8 n 面g a n 外延薄膜生长研究 表1 3 b 不同时期研究人员用l a y e rt r a n s f e rt e c h n o l o g y 以及g a n m g 等特殊方法弗4 备n 面g a n 的实例 年份研究机构制备工艺应用领域特点 2 0 0 4 u c s b i n v e r s i o no ft h ep o l a r e p i l a y e r 与g a 面g a n 制备工艺相 a x i sb yg a n m g兼容 但m g 存在记忆效 应 掺杂后须生长0 5 9 m 左右的i g a n 恢复 2 0 0 9m i t l a y e rt r a n s f e r h e m ti d s 较相同工艺下的g a 面 t e c h n ol o g yg a n 基h e m t 提升3 0 表1 3 c 不同类型衬底之间晶格失配 规格质量 成本的对比 衬底类型与g a n 的晶格失配规格及结晶质量成本 s a p p h i r e 1 5 大尺寸 结晶质量一般 低 o f f c u ts a p p h i r e1 5 大尺寸 高结晶质量较高 c p o l a rs i c 3 5 中等尺寸 高结晶质量同 s i1 7 大尺寸 结晶质量一般最低 n p o l a rb u l ka l n 2 小尺寸 高结晶质量高 n p o l a rb u l kg a n 小尺寸 高结晶质量向 1 3 2n 面g a n 基材料的瓶颈 长期以来 外延制备的n 面g a n 薄膜的质量普遍较差 导致无法达到器件 应用级别 其中主要存在以下问题 1 m o c v d 制备n 面g a n 外延薄膜时 整个e p i l a y e r 的极性较难控制 2 m o c v d 制备n 面g a n 外延薄膜时 若采用c s a p p h i r e 会导致六方密布的粗 糙表面 5 4 5 7 6 2 缶5 1 而采用o f f c u ts a p p h i r e 虽然可以抑制六方 3 9 5 4 但是斜切衬 底成本较高 市场占有量小 需提前订制 3 m o c v d 制备n 面g a n 外延薄膜时 由于衬底上的o 原子会沿着穿通位错向 上扩散 导致了外延薄膜的非故意掺杂的o 含量偏高 而o 作为一种浅施主 会引起外延薄膜中的自由载流子浓度偏高 2 2 3 0 4 m b e 制备n 面g a n 外延薄膜时 一般采用c p o l a rs i c 衬底 成本较高 市 场占有量小 需提前订制 5 外延制备好的n 面g a n 薄膜在制作成光电器件之前要避免长时间暴露在空气 中 因为n 面g a n 基材料的表面化学活性较高 容易和空气中的某些活性杂 质反应 此外 空气中其他杂质的表面吸附也会对材料特性造成不利影响 一 般的 在生长完成后 会在材料表面淀积几纳米的钝化层 如s i 3 n 4 起一定 第一章绪论9 的保护作用 6 制作器件时电极接触仍沿用g a 面g a n 的t i a 1 n i a u 工艺 但由于n 面g a n 的极化方向与g a 面g a n 相反 这就造成了不同极性的薄膜材料近表面处的 能带结构有所区别 要想获得最优化的金半接触工艺 仍需要进一步摸索改进 1 3 3n 面g a n 基材料的展望 虽然现阶段有关n 面g a n 基材料的研发工作仍在进行当中 但初期制造的 代表性器件 如h e m t m i s f e t 等 的主要性能指标己达到或接近同期相同工 艺下的g a 面g a n 基器件 8 6 6 展现出了较为乐观的前景 而随着斜切衬底的采 用 生长工艺的不断优化 器件制造工艺的优化等措施 上节提到的制约n 面 g a n 基材料发展的瓶颈必将被突破 其极化方向与g a 面g a n 相反 能带结构与 g a 面g a n 不同 杂质结合能力与g a 面g a n 不同 a 1 g a n g a n 异质结的2 d e g 限域性好 迁移率高 存在天然背势垒 表面欧姆接触低 与g a 面g a n 工艺兼 容等独特优势不仅会进一步提升原有相关器件的性能 而且会衍生出一系列新婺 器件 如横向异质结 l p h s 隧穿器件 高速开关管 非f 离子注入增强型h e m t 等 丰富g a n 基材料的产品线 助力于电子 计算机 通信 照明等相关行业 的发展 图1 7 展示了n 面g a n 的在各相关领域的应用以及一些展望 l o n 面g a n 外延薄膜生长研究 1 4n 面g a n a 1 g a n 异质结特性 早在上世纪8 0 年代人们就发现i i i v 族化合物宽禁带半导体材料内部存在着 较强的自发极化与压电极化效应 对于i n n g a n a i n 而言 极化强度随禁带 宽度增大而增强 当极化强度不同的两种氮化物形成异质结时 以g a n a 1 g a n 异质结为例 根据电动力学相关理论可知 由于g a n a l g a n 界面处的空间电场 强度发生突变 因此会在异质结界面处产生一层一定浓度 固定不动 带正电的 极化电荷层 进而在其附近的三角形量子阱中感应出一层薄的 可移动的 带负 电的感应电荷层 2 d e g 用作h e m t 的导电沟道 在此基础上 人们通过调节 栅极上的电压以实现导电沟道的开启与关断 下面 我们将详细介绍n 面g a n 的自发极化与压电极化效应 并在此基础上研究g a n a l g a n 异质结中2 d e g 的 形成及相关特性 最后对n 面g a n 基h e m t 的相关原理及发展现状予以简介 1 4 1n 面g a n a i g a n 异质结 1 4 由于在n 面g a n 晶体中每个晶胞的正负电荷中心不重叠 于是就产生了一 个沿 方向的偶极矩 整个晶体中所有晶胞的偶极矩相叠加就形成了一个总 的沿 方向的偶极矩 这就是n 面g a n 的自发极化效应 p s p 而对于弛 豫的n 面g a n 晶体施加c 面内或是沿c 轴方向的应力可改变晶胞的结构 同样 会使得正负电荷中心的位置发生偏移 相当于产生了一个新的偶极矩与原来的偶 极矩叠加 即所谓的压电极化效应 p p e 接下来我们对比g a 面a i g a n g a n 异质结并以如图1 8 所示的n 面 g a n a 1 g a n 异质结为例 详细分析异质结界面附近2 d e g 产生的机理及特性 理 想情况下g a 面a 1 g a n g a n 异质结两侧均弛豫 异质结界面两边只存在沿 方向的自发极化且a i g a n 层中的极化强度较大 此时会在界面处产生正的极化电 荷 进而在禁带宽度较窄的g a n 一侧感应出2 d e g 图1 8 a 而实际情况中 下层g a n 弛豫 上层的a i g a n 表现为张应力 除了异质结界面两侧垂直衬底向 下的自发极化 在a 1 g a n 中还存在沿 方向的压电极化 相较于图1 8 a 所示的a 1 g a n g a n 异质结而言 a i g a n 层中的极化强度进一步增强 异质结界 面两侧的极化强度之差增大 使得界面处产生更多的正极化电荷 进而在禁带宽 度较窄的g a n 一侧感应出浓度更大的2 d e g 图1 8 b 此外 对于g a 面 g a n a 1 g a n 而言 由于上层g a n 的极化强度要小于下层a i g a n 的极化强度 因 此在异质结界面处产生的为带负电的极化电荷 无法感应出2 d e g 图1 8 c 而对于n 面a 1 g 心 a n 异质结而言 无论a i g a n 层弛豫与否 图1 8 d e 都会因a 1 g a n 层沿 的极化强度大于g a n 层沿 的极化强度进而在 第一章绪论 异质结界面处产生一层带负电的极化电荷 无法感应日 2 d e g 只有当形成n 面 g a n a 1 g a n 异质结时 下层的a 1 g a n 弛豫而上层的g a n 受压应力 a i g a n 中沿 方向的自发极化较强而g a n 中沿 方向的自发极化与沿 方 向的压电极化矢量叠加后变得更弱 使得异质结界面处产生带正电的极化电荷 并最终在上面的g a n 沟道层中感应出2 d e g 图1 8 f g a f a c el g a i l o 1 p s p e ip s p v s u b s t r a t e l p s pp p e o 7 丫 v 1p s p v s u b s t r a t e a l g a n r e l a x e d g a n r e l a x e d a l g a n t e n s i l es t r a i n g a n r e l a x e d 1 c l g a n c o m p r e s s i v e s t r a i n a i g a n r e l a x e d p即vppi e 9 v 了 a k p s p l s u b s t r a t e 图1 8 不同应力条件下n p o l a r g a n 和g a p o l a r g a n 基a i g a n g a n 异质结自发极化与压电极 化的方向及其产生的界面处极化电荷示意刚1 4 现在 我们将通过理论计算深入分析n 面g a n a i g a n 异质结界面处2 d e g 的特性 以及a i g a n 势垒层的厚度及a l 组分对2 d e g 的影响 根据表1 4 中分 别列出的a i n g a n i n n 的晶格常数 自发极化常数 压电常数 静电常数以 及相对介电常数 首先我们可以用式 1 1 1 8 计算出n 面g a n a l x g a l x n 异质 结界面处的极化电荷浓度6 x 1 2 n 面g a n 外延薄膜生长研究 岱 x 0 0 5 2 x 一0 0 2 9 c m 2 一a a o 巳 毒 c 一3 3 口 0 0 7 7 x 3 18 9 1 0 1 0 m q 3 5 x 1 0 3 g p a c 3 3 3 2 x 4 0 5 g p a e 3 l 却 o 1 1 0 4 9 c m 2 岛3 x o 7 3 x 0 7 3 c m 2 1 一1 r r x p t o p p b o t t o m 岱 卸 印 昂 6 0 肋历 6 d 幻m 1 8 表1 4 a i n g a n i n n 的晶格常数 自发极化常数 压电常数 静电常数以及相对介电常数 六方纤锌矿a l ng a ni i l n 力玎详铆 结构 a o a 3 1 1 23 1 8 9 3 5 4 c o a 4 9 8 2 5 1 8 55 7 0 5 p s p c m 2 0 0 8 l一0 0 2 9 0 0 3 2 e 3 3 c m 2 1 4 60 7 30 9 7 e 3 i c m 2 一o 6 0 0 4 9 o 5 7 c 1 3 1 0 81 0 39 2 c 3 3 3 7 34 0 52 2 4 l l9 o9 5 e 3 31 0 7l o 4 而由极化电衙感应出的2 d e g 的浓度n s x j 以表不为 仫 半一 警懒 m 屏 玲 e c 别 1 9 其中 d 为a i x g a l x n 势垒层的厚度 e c p b 是栅极肖特基势垒的高度 a e c 为 g a n a l x g a l x n 异质结界面处的导带断续 占似 2 一o 5 9 5 f 1 1 0 e 九 x 2 1 3 x 0 8 4 e v 1 11 2 3 4 5 6 7 一 一 一 l 1 l 1 l 1l l l l l l l l l 第 尊绪论 廓 耻磊 m 羔姒x 1 2 i k 驰h 丽9 a h e 2 等 1 1 3 a e c 2 o 7 乞 x 一乓 o 1 1 4 乓 的 x 乓 彳 1 一x 名 g a n 一x 1 2 1 o e v 6 1 3 e v 1 x 3 4 2 e v x 1 x 1 0 e v f 1 1 5 将式 1 1 0 1 1 5 带入式 1 9 可得a l 组分为x 时n 面g a n a i x g a l x n 异质 结界面附近的2 d e g 浓度n s x 一般情况下不用进行n 型掺杂 仅仅通过极化 效应便可应获得1 0 1 2 1 0 1 3 c m 3 浓度的2 d e g 可以看到 n s x 与a l x g a l x n 势垒 层的厚度d 以及a l 组分x 有着密切联系 我们这里引用1 9 9 9 年o a m b a c h e r 等 人有关于n 面g a n a i g a n 异质结2 d e g 起源与特性的研究结果说明a l x g a l x n 9 势垒层的厚度d 以及a l 组分x 对2 d e g 浓度n s x 的影响 如图1 9 a 所示 a l 组分一定时 x o 2 5 当势垒层厚度d 从1 0 n m 2 0 n m 3 0 n m 4 0 n m 时 2 d e g 的浓度n s x 从0 8 6 x 1 0 1 3 c m 3 1 1 2 x 1 0 1 3 c m 一1 2 1 x 1 0 1 3 c i n 3 1 4 0 x 1 0 1 3 c m 3 可 见 在一定范围内 2 d e g 的浓度n s x 是随a l x g a l x n 势垒层的厚度d 增加而增 大的 而当a l x g a l x n 势垒层的厚度d 固定时 2 d e g 的浓度n s x 是随a 1 x g a l x n 势垒层a l 组分x 的增大而增大的 如图1 9 b 图1 92 d e g 浓度n s x l 碴a 1 x g a l x n 势垒层的厚度d a 以及a 1 组分x b 的变化关系 1 4 1 4n 面g a n 外延薄膜生长研究 1 4 2n 面g a n 基h e m t 图1 1 0 a 给出了典型的n 面g a n 基h e m t 结构剖面图 下面我们将结合 其结构特点以及各部分结构的作用说明n 面g a n 基h e m t 的工作原理 a b 图1 1 0 a n 面g a n 基h e m t 结构剖面图 b 对应的能带图 首先 在衬底上外延生长一层较厚 约l g m 的 高质量 低位错 低缺陷 的 适用于器件制备 表面粗糙度较低 的n p o l a rg a n 体材料 而后生长2 0 4 0 n m 厚的a 1 g a n 势垒层 2 0 4 0 n m 厚的g a n 沟道层 其中a 1 g a n 势垒层不仅要和上 面的g a n 沟道层构成异质结并通过极化效应形成三角形量子阱进而为2 d e g 提供 大量电子 而且还为2 d e g 构筑了天然的背势垒 势垒高度和宽度分别由a l 组 分和势垒层宽度决定 提高了2 d e g 的限域性 在g a n 沟道层的三角形量子阱 中2 d e g 受到的声学波散射较少 在获得较高2 d e g 浓度的同时也保持了2 d e g 较高的迁移率 从而为实现高频大功率h e m t 奠定了坚实的基础 有时还会在 g a n 沟道层上面生长一层1 3 n m 厚的a i g a n 帽层 其目的是在不影响电极欧姆 接触的前提下抬高三角形量子阱上方的g a n 能带 提高2 d e g 的限域性 接下来 在外延薄膜表面淀积的s i n 钝化层是为了保护材料表面免受外界因素的干扰 最 终 当栅 g a t e 源 s o u r c e 漏 d r a i n 电极的t i a i n i a u 欧姆接触 台面 隔离 封装等工艺完成后 就得到了可供使用的n 面g a n 基h e m t 这里有两点值得注意 1 由于n 面g a n 基h e m t 的g a n 沟道层在a 1 g a n 势垒层上方 所以2 d e g 与源 s 漏 d 电极之间少了一层势垒 这就使得两者之间的接触电阻大幅 下降 同时由于极化效应的影响 导致n 面g a n 的能带在表面处向上弯曲程度 较小 宽w e c 高出e fo 2 e v g a 面g a n 的能带在表面处向上弯曲程度较大 第一 章绪论 宽5 w e c 高出e f1 6 e v 2 3 同样会使得n 面g a n 基h e m t 中电极与沟道 之间的载流予输运过程更为简单 高效 现阶段报道的n 面g a n 基h e m t 的欧 姆电阻在0 1 q m m 水品 大大低于g a 面g a n 基h e m t 的o 3 0 4 f 2 m m 1 7 1 8 2 0 基于上述优势 n 面g a n 基h e m t 可超越g a 面g a n 基h e m t 实现更高性能 的高频大功率与直流应用 2 在m o c v d 制备g a n 基材料过程中 n 面g a n 与i n n 的生长条件更为接 近 容易获得高质量的i n