两步生长技术如何突破高压GaN HEMT性能瓶颈

GaN器件展现出硅基器件难以企及的优势，例如高击穿电压、快速开关、低开关损耗以及卓越的功率转换效率。然而，GaN材料的生长过程，特别是如何在非原生衬底上实现高质量的外延生长，一直是科研人员面临的巨大挑战。本文将深入探讨一种名为“两步生长”的关键技术，它如何有效降低AlGaN/GaN异质结中的位错密度，从而显著提升高压横向AlGaN/GaN HEMT的性能。

为什么GaN HEMT需要“两步生长”？

目前，AlGaN/GaN HEMT器件大多选择在蓝宝石或硅等非原生衬底上生长。其中，蓝宝石衬底因其成本效益，在研究和开发中仍占有一席之地。然而，蓝宝石与GaN之间存在的晶格失配问题，常常导致外延层中产生大量的螺位错和刃位错。这些位错不仅会增加器件的薄层电阻，降低二维电子气（2DEG）的迁移率，还会导致电阻均匀性变差，严重影响AlGaN/GaN HEMT的性能。

为了解决这一难题，研究人员提出了多种方法，例如引入AlN或AlInN中间层。然而，本文所关注的“两步生长”技术，则另辟蹊径，通过优化GaN层的生长条件来从根本上减少位错。在金属有机化学气相沉积（MOCVD）外延生长III-V族氮化物材料时，两步生长已被证明能有效降低位错密度。该技术通过在生长过程中引入从三维（3D）到二维（2D）的转变，促使更多位错倾斜并相互湮灭，从而改善晶体质量。

两步生长工艺解析

本研究中，AlGaN/GaN异质结是在蓝宝石衬底上通过MOCVD设备（Taiyo Nippon Sanso SR4000KS-HT反应器）生长的。生长过程的关键步骤如下：

• 衬底准备：首先，将2英寸的c面(0001)蓝宝石衬底在1100°C下进行10分钟的热清洗。
• 低温GaN缓冲层生长：接着，在520°C下生长一层低温（LT）GaN缓冲层，生长时间约为80秒。
• 两步GaN层生长：
• 第一步：在1100°C下生长1.2微米厚的GaN层，持续25分钟，V/III比为1902。较低的V/III比有利于引入3D生长模式，从而促进位错的倾斜。
• 第二步：将温度提升至1150°C，并以3046的V/III比继续生长GaN层60分钟，最终厚度达到2.2微米。此阶段V/III比的提高促使3D生长向2D生长模式转变，实现了横向生长，进一步促使位错倾斜并相互湮灭。
• AlGaN层生长：最后，在GaN层上生长一层45纳米厚的AlGaN层，温度为1030°C，持续15分钟，用于形成2DEG。

整个生长过程中，三甲基镓（TMGa）和氨气（NH3）作为GaN层的前驱体，氢气作为载气。AlGaN层生长时，还额外使用了三甲基铝（TMAl）。值得注意的是，本研究中并未引入任何AlGaN中间层，这简化了AlGaN/GaN异质结的制造过程。

卓越的材料特性与器件性能

通过X射线衍射（XRD）和原子力显微镜（AFM）等表征技术，验证了两步生长技术在改善GaN层晶体质量和表面形貌方面的显著效果。

• 晶体质量提升：GaN层的XRD摇摆曲线显示，(002)和(102)峰的半高宽（FWHM）分别约为205角秒和277角秒。这对应着螺位错密度为8.47×e7cm−2，刃位错密度为4.08×8cm−2。总的位错密度为4.93×e8cm−2，这一数值低于其他报道的两步生长GaN层，表明本研究的生长条件有效降低了位错密度。
• 表面光滑度优化：AFM图像清晰地显示出GaN层表面存在阶梯流（step-flow）特征，表明表面非常光滑，均方根（RMS）粗糙度低于1nm。这证明了3D到2D生长模式的转变，成功获得了更平滑的GaN层表面。AlGaN层表面的RMS粗糙度也与GaN层相似，这可能与AlGaN层较薄有关。

在此基础上，AlGaN/GaN异质结被成功制备成横向高压HEMT器件。

• HEMT特性突出：器件展现出清晰的HEMT工作特性。通过霍尔效应测量，器件的薄层电阻为522.2Ω/sq，载流子密度4.11×e13 cm−2。
• 高击穿电压：在室温下，器件表现出高达497V的击穿电压。尽管未在真空探针系统和Flourinert浸没等受控条件下进行高压测量，器件仍显示出优异的击穿性能。对于不同栅极到漏极长度（LGD）的器件，其平均击穿电压均超过300V。例如，16微米LGD的器件击穿电压达到了497 V，15微米LGD的器件击穿电压为408 V。
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• 高开关比：器件的开/关电流比达到了e8的数量级，这对于AlGaN/GaN HEMT而言是相对较高的值。
• 潜在优化空间：尽管最大归一化电流密度为9.2mA/mm相对较低，这可能与200nm厚的Al2O3钝化层和较宽的LGD有关，但通过优化Al2O3层厚度或LGD长度，这一性能仍有进一步提升的空间。

未来的展望

这项工作证明，通过优化两步生长条件，即使不插入中间层，也能成功制备出具有高击穿电压的AlGaN/GaN HEMT器件。这为高压AlGaN/GaN HEMT的简化制造工艺铺平了道路。未来，通过进一步优化两步生长条件，以及结合开放式栅极、双栅极等器件结构或架构的改进，AlGaN/GaN HEMT的性能有望得到更大的提升。

来源：芯氮鎵速记

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