论文部分内容阅读
AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)在高频大功率器件应用方面受到越来越多的重视，这是由于其具有高的击穿场强、高的电子饱和速度以及由于压电和自发极化形成的高面密度二维电子气(2DEG)。可是由于缺乏大尺寸商业级的本征GaN衬底，所以GaN材料通常都是在蓝宝石、碳化硅、硅等衬底上异质外延获得。由于GaN和异质衬底之间存在大的晶格失配和热失配，因而在GaN外延薄膜中存在高密度的位错。众所周知，位错会降低载流子迁移率和加剧器件的电流泄漏。随着技术的进步，近年来GaN衬底已经取得了显著的突破。虽然价格昂贵，尺寸不大，但是因其极低位错密度受到了越来越多的重视。因此，利用GaN衬底上同质外延生长高质量AlGaN/GaN异质结成为近年来备受关注的研究热点之一。虽然GaN上外延生长GaN难度要远小于异质外延，但是同质外延再生长界面容易出现杂质污染或寄生沟道等严重问题，这是由于GaN基板暴露在空气中，表面极易吸附O、Si、C等杂质污染物，严重影响材料和器件性能。为解决这一问题，本文重点开展了GaN上外延GaN的再生长界面的杂质结合机理、杂质去除方法以及同质外延AlGaN/GaN异质结特性表征等研究。本文的主要工作和结果如下：1.提出了在MOCVD再生长前采用“生长/热分解”交替循环工艺去除界面杂质污染的方法，并通过工艺参数的优化，成功实现了C和O杂质的有效去除，并显著降低了Si杂质浓度，C-V测试结果表明，该方法完全消除了再生长界面的寄生沟道。同时，利用该方法也显著改善了AlGaN/GaN异质结材料表面形貌、结晶质量和电特性。2.基于GaN基板上直接生长AlGaN势垒层的方法，深入分析了再生长界面对AlGaN/GaN异质结2DEG迁移率和面密度的影响规律。再生长界面导致2DEG电子迁移率降低的主要原因是界面粗糙度散射和界面杂质散射的增强所致，2DEG面密度的降低是由于二次生长的AlGaN层压电极化效应减弱的结果。3.基于GaN基板上直接生长AlGaN势垒层可将再生长界面作为2DEG沟道的思路，提出采用原位表面处理结合补偿生长的方法来改善2DEG迁移率和面密度的下降。通过工艺参数的优化，最终采用15分钟表面氮化处理结合100nm厚GaN补偿生长，在有效除去表面杂质的同时实现了表面粗糙度的显著降低和再生长AlGaN势垒层压电极化的增强，将低温(77K)的2DEG迁移率从4149cm2/Vs提高到5168cm2/Vs，2DEG面密度从1.14×1013cm-2提高到1.4×1013cm-2。