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MOCVD生长AlGaN/GaN/Si(111)异质结材料


第 2 卷 第 4 9 期
20 0 9年 1 2月

固体 电子 学研 究 与进 展
R S AR H & P EE C ROG S S RE SOF S E

V o .2 No.4 1 9. De c.. 2 09 0

宽禁 带半导 体
\ ,

M OC VD 生 长 Al N/ N/ i 1 异 质 结 材 料 Ga Ga S ( ) 1 1
李忠 李 董 李 张 许晓军 辉 亮 逊 赞 岚 姜文海 辰 陈
( 片 集成 电路 与模 块 国家 级 重 点 实 验 室 , 京 电 子 器 件 研 究 所 , 京 ,10 6 单 南 南 20 1 )
2 0— 50 收 稿 ,0 90 —0收 改 稿 0 90— 5 2 0 —61

摘 要 : 用 M O VD在 S( l) 底 上生 长 了无 裂 纹 的Ga 外 延 薄 膜 和 AI N/ a 异 质 结 构 . 过 优 化 s 衬 利 C i1 1衬 N Ga G N 通 i 底 的 浸 润处 理 时 间 , N 层 厚 度 等 参 数 获 得 了无 裂 纹 的 Ga 外 延 薄 膜 , 究 了 SN 缓 冲层 和插 人 层 厚 度 对 A G N/ AI N 研 i la Ga 异 质 结 电学 性 质 的 影 响 ,DE 的迁 移率 和 面密 度 分 别 达 到 l4 0c V · N 2 G 1 m / s和 1 1 ×1 " m_. . 6 0 c
关 键 词 : 化 镓 ; 电子 迁 移 率 晶 体 管 ; 维 电 子气 氮 高 二 中 图 分 类号 : N3 4 0 4 T O . 5 文献标识码 : A 文 章 编 号 : 0 0 3 1 ( 0 9 0 — 6 80 1 0 — 8 9 2 0 ) 40 0 — 3

AI N/ N Hee o tu t r nS ( 1 )S b tae Ga Ga tr sr cu eo i1 1 u sr t
Gr wn b OCVD o yM

I h n h i LIIin DONG n I1Yu Z Z o g u a g I Xu n HANG n XU a j n Ia Xio u
JANG e h i CHEN e I W n a Ch n
( ain lKe b r tr f M o oihcI tg ae rut n o ls N to a y La oa oyo n lti ne r td Cic i a d M due ,N a jn eto i s nig Elcr nc De ie nttt ,N a jn v csI siue n ig,2 0 1 CH N 1 0 6,

Ab ta t sr c :Fre c a k Ga a d A1 N/ N ee o tu t r n S u s r tswe eg o y e — rc N n Ga Ga h t r sr c u e o i b tae r r wn b s
M OCVD. The Si b f r l y r C D i N ufe a e a mpr v r s a lne qu lt n l c rc c r c e tc 一 o e c y t li a iy a d e e t i ha a t s is ofA1

Ga Ga h tr sr c u e N/ N ee o tu t r .Th wo dme so lcr n g s( DEG)mo i t n h e h r e e t — i n in ee to a 2 b l y a d s e tc a g i
d n i c iv d a o n 1 m .V ·Sa d 1 1 e st a h e e r u d 1 4 0 c / y n . 6× 1 ¨c ~a o m e e au e e p ciey, 0 m tr o tmp r t r ,rs e tv l
St u t r la l c rc lpr p r i sde e mi d by XRD nd v n d rPa w l m e h r e r c u a nd ee ti a o e te t r ne a a e u Ha l t od we e pr —
sne e t d.
Ke r y wo ds:Ga ;H EM T ;t — i e i n e e t o c g s N wo d m nto l c r ni a

EEACC : 2 6 S 5 O

应用 .为 了提高 S 基 Ga 薄膜 的质 量 , i N 先后 出现 了




目前 , S 为衬 底 的 G N 外 延 材 料具 有 低 成 以 i a

不 同 的技 术 方 案 , 一是 在 Ga 薄 膜 中生 长插 入 层 , N

如 低 温 氮 化 铝 ( N) 入 层 , 温 Ga 插 入 层 , A1 插 低 N
A N/ Ga 短 周 期 超 晶格 等 ; 是 生 长 多 层 或 者 1 Al N 二 本, 易加工 等优 势 , 日益受 到光 电子和微 电子 领域 的 广泛 关注 引, 由于二 者之 间存 在较 大 的晶格 失 配 但

组分 渐 变 的 A1 a 缓 冲层 ; 是 图形 化 衬底 , GN 三 如衬
底蚀 刻 图形或 制备掩 膜图形 等 .上 述这些 技 术虽然 工艺 复杂 程度 和难 度各不 相 同. 在 S 基 Ga 薄膜 但 i N

和 热 失配 , a 极 易 产 生 大 量 位 错 和 高密 度 裂 纹 , GN 材料 制 备难 度较 高 , 碍 了器 件性 能 的提 高和 实 际 阻

外延 生 长 中都 被证 实 可行 和 比较 有效 , 到 较 多 的 得

+ 基 金项 目 : 苏 省 自然 科 学基 金 资助 项 日( K2 OO )国 家 自然 科 学 基 金 资 助项 目(0 0 0 8 江 B o7 l . 2 6873) } 联 系 作者 : — i zo g ul 1 6cr E mal h n h i@ 2 .o : i n

4 期

李 忠辉 等 : MOC VD生 长 A G N/ a S( 1 ) 质 结 材 料 1 a G N/ i11 异

69 0

应用 .

文 中利用MOC VD 生长SN缓 冲层来 降低 S 衬 i i
底上 G N 外 延层 的应 力取 得 了较好 的效果 . 过优 a 通

化 S 衬 底 的浸润 处 理 时间 , l 成 核层 厚度 等 参 数 i AN
获 得 了无 裂纹 的 G S 外 延薄 膜 , a 并研 究 了 SN 缓 冲 i 层 和 Al 插 入层 厚度 对 A1 N/ N 异质 结外 延材 N Ga Ga 料 电学 性质 的影 响 .

l Ga 外延 层 生长 及 结 果 分 析 N
利用 MO VD在 S( 1 ) C i1 1 衬底上 生长 G N 外 延 a

材料, TMGa TMA 和 NH. , 分别 作 为 G , lN 源 , aA ,
H 为 载气 . 长工 艺如 下 : 先浸 润处理 , 长3 ~ 生 首 生 O 6 m 高 温 A1 成 核 层 , 0n N 然后 生 长 1 m G N 高 温 a 层 .其 它生 长 条 件保 持 不 变 , 研究 浸 润 时 间和 A1 N 成核 层 厚 度 等生 长 条 件 变 化对 G N 质 量 和 形 貌 的 a 影响. S 表面 经过 浸润 处理 后可 以有效 阻止 SN 层形 i i 成 , 有助 于 A1 成 核 层 的生 长 .浸润 处理 时 间对 并 N

Ga 薄 膜质 量 的影 响如 图 1 N 所示 , 可以看 到 s 衬底 i 浸润处 理 的最佳 时 间为 4 左右 , 时 G N 薄 膜 的 0S 此 a ( 0 ) 宽 有最小 值 . 02半 如果浸 润处 理时 间太短 , i S 的 表 面可 能覆 盖不 完全 , 易形 成SN, 容 i 导致 Ga 呈颗 N 粒 状生 长 [ 图 2 a ] 浸 润 处理 时 间较 长 虽 然 可 以 如 (),
长出 Ga 薄膜 , 表面形 貌较 差 [ 图 2 b ] N 但 如 () . 窗 口比较 窄 . N 成 核层 厚 度与 释放 G N 外延 层 中 A1 a
图 2 浸 润 处 理 时 间 对 Ga 薄 膜 表 面 的影 响 S
Fi g.2 G r w t i e o t i a e r sm or o h tm fwe tng l y rve su pho o l gy 0fGaN

的应 力 有 关 , 因此 , 适 的 A1 成 核层 厚 度 将 有 助 合 N
于提 高 Ga 薄 膜 的晶体 质量 . N

图 1 浸 润 处 理 时 间 对 Ga 外 延 层 的 晶 体 质 量 的 影 响 N
Fi 1 g. Gr w t tm e o h i of we tng a e v r u (0 t i l y r e s s 02)
H 0fGaN

图 3 A1 成 核 层 厚 度 对 Ga 外 延层 晶体 质量 的影 响 N S
F g. Th c n s fAl n ce t i a e e s s ( 0 ) i 3 ik e s o N u la o n ly r v r u 02 Fw H M {Ga o N

A1 成 核层 的作 用 是提 供 成 核 中心 , 时缓 解 N 同 部 分晶 格失 配 , 善Ga 改 N外 延层 的 晶体质 量 . 图3为
AI 成核 层 厚 度 对 Ga 薄 膜 X N N RD半 峰 宽 的 影 响 . 当 A1 成核 层 的厚度 为 3 m 时 , N 晶体 质量 最 N 0n Ga 好, 除此 以外 G N 的 晶体质 量 均会 迅速 下降 .可 以 a 看到 获 得高 质 量 Ga 外 延 膜 的 A1 成 核 层 的厚 度 N N A1 N/ N 异 质 结 的 生 长 工 艺 如 下 : 先 浸 Ga Ga 首 润处 理 4 , 长 3 m 高温 A1 成 核层 , i 缓 冲 0S 生 0n N SN

2 A1 N/ N 异 质 结 外 延 生长 及 结 Ga Ga 果 分 析

60 1





















【口.a一 I _ 譬g∞ ∞ I :0 s

层 , . m N 缓 冲层 , 1 12 Ga A N插 入层 , .6 a.N A1 2 . lG 7 层 2 m( 4 .保 持 其它 各 层 的生 长 条 件稳 定 不 6n 图 ) 变 , 别研 究 多孔 SN缓 冲层 和 Al 插 入 层厚 度 变 分 i N 化对异 质 结 电学性 能 的影 响 .在 AI a Ga 异 质 G N/ N 结界 面处 插入 A1 层 抑制 合金 无序 散 射 , 高 电子 N 提 气 迁移 率 , 时 改善 异 质 界 面 处 能 带 结 构 , 加 对 同 增
2 E 的限制 . D G
AI N Ga 26 nm Ga N 1 2 /m . , Si bu f r N fe Al N S ubs r t is ta e

图 4 S 衬 底 A G N/ N 异 质 结 构 示 意 图 i 1 a Ga
Fi. AI N/ N ee o tu t r n S u srt g4 Ga Ga h tr sr cu eo i b tae s

图 6 A1 插 入 层 厚 度 对 Al a G N 异 质 结 方 块 电 阻 N G N/ a 的影 响
F g 6 S e tr ssa c fA1 N / N e eo tu t r i . h e e itn eo Ga Ga h tr sr cu e
ve s N pa e a e r us Al s c rl y r

在外 延结构 中引入多孔 SN 缓 冲层 是 为 了改 善 i G N 外 延薄 膜 的晶体 uI 呐从 而提 高 异质 结 的 电学 a (口 _ .a 质量 , I I 基 s o∞ I l 性 能 ( 图5所示 ) 可以看 出 , A N 成核 层表 面进 如 . 对 1 行 适 当的 SN 处理 可 以减 小 Al N/ N 异质 结 的 i Ga Ga

3 结 论
利 用 MOC VD 在 S ( 1 ) 底 上 生 长 无 裂 纹 i1 1 衬 Ga 外 延薄膜 和 Al N/ a 异质 结构 .通过 优化 N Ga G N

方块 电阻 , 因是 A1 成 核层 的 部分 表 面 被 SN 覆 原 N i
盖, 另外 部 分裸 露 , 当于形 成 SN 掩 膜 , 起 G N 相 i 引 a

外延 层 向侧 向生 长模 式转 变 , 高 了 晶体 质量 和 异 提 质界 面 的平整 度 , 善 了 2 E 的输运 特性 . 改 D G

s 衬底 的浸 润处 理 时 间 , N 层厚 度 等参 数获 得 了 i Al
无 裂 纹 的 G N 外延 薄膜 , a 加入 多孔 SN 缓 冲层 有 助 i 于提 高 异质 结 的 晶 体质 量 和 电学 性 能 , 究 了 SN 研 i 缓冲 层和插 入层 厚度 对 Al N/ a 异 质结 电学 性 Ga G N 质的影 响 .Hal l测试异 质结 材料 的 2 E D G迁 移率 和

浓度 分别 为 14 0c V · 1 m / s和 1 1 ×1 ¨c .说 . 6 0 m_ , 明异 质结材 料具 有 良好 的 晶体 质量 和界面 质量及 器
件应 用前景 .
参 考 文 献
E ] Jh snJW , ie VeenA, ta.1 / m 1 ono Pn r L, sa e 1 2W r E a
A1 N- N HF T n s i n s b t ts J ,I E Ga Ga E s o ic u sr e F ] E E lo a 图 5 SN 缓 冲层 对AI a Ga 异 质 结 电 学 性 质 的 影 响 i G N/ N
Fg 5 S e trssa c fA1 N / N eeo tu t r i. h e eitn eo Ga Ga h tr sr c u e
v r usgr t i e o N e s ow h tm fSi bufe a e f rl y r

Elc r n De ie L t ,2 0 ,2 ( ) 4 9 4 1 e to vc et 0 4 5 7 : 5 — 6 .

[ ] T P u n ,i ,t 1 h f c f io 2 uH, h o gL M J kH e a.T eef t s — s e odl

ct nlo so el h mi i f icnL D E] ai p nt g t s o o lo E s J. o o h i e sn Si
1 EEE e t o v c t 20 6, Elc r n De ie Le t, 0 27( 2): O5 1 7. l —O

Al 插 入层 厚度对 Al a Ga 异质 结 方块 电 N G N/ N

阻 的影 响如 图6所示 . 当A1 生长 0 8n 1 0n N . m, . m, 1 2 n 时 , G N/ N/ N 方 块 电 阻 分 别 为 . m Al a Al Ga
4 0Q 口,0 / 6 / 3 3a 口和 3 8Q 口.A N插 入 层 的最佳 9 / 1 厚度 大 约 0 9 1 2n 范 围时 , . ~ . m 异质 结 具 有 较好 的 电学 性质 . 采用 范德 堡法进 行Hal 试 , l测 异质 结 的迁 移率 14 0c V · , 1 m / s 面密度 1 1 ×1 ¨c . 6 0 m一, 表明 该材料 的晶体质量和界面质量较好 , 电学性能优 良.

[ 3 Sn h l L C a d a i e 1 e a it f a g 3 ig a S, i T, h u h r A,t .R l bl yo r e a i i l

p r h r a —rS HF TsJ. co l to i e ei eyG N ol i E [] Mi ee rnc R . p — r c s
1a iiy, 20 i b lt 06, 46: 】 47 1 3 2 — 25 .

李 忠辉 ( I h n h i 男 , 92年 生 , 林 省 人 , 士 学 位 , L o g u) Z 17 吉 博 研究员 , 目前 主要 从 事 氮化 物 微 结 构 材 料 的 相关 研 究 工 作 .

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