GaN-HEMT技术研究

技术研究1HEMT简介随着高频无线通讯产业的发展，同时满足特殊领域的发展，因此对具备高速、高压、高频、耐高温、耐腐蚀等特性的晶体管需求越来越迫切，从而使具备这些特性的器件即高电子迁移率晶体管（HEMT）得到广泛研究和发展。HEMT，高电子迁移率晶体管是一种异质结场效应晶体管，又称为调制掺杂场效应晶体管（MODFET）、二维电子气场效应晶体管（2-DEGFET）、选择掺杂异质结晶体管(SDHT)等。。它是利用具有很高迁移率的二维电子气来工作的，因此这种器件及其集成电路能够很好的应用于超高频（毫米波）、超高速领域。在通常的MOS器件中，沟道区是对半导体掺杂而形成的，多数载流子与其电离杂质共同存在。受电离杂质的散射影响，载流子的迁移率会减小，器件的性能也会随之降低。因此可以考虑将多数载流子从电离杂质中分离出来，从而避免迁移率减小。在HEMT器件中，由于异质结接触两种半导体的禁带宽度不同，电子会从宽禁带半导体流向窄禁带半导体中，从而在半导体界面的窄禁带半导体一侧形成量子阱。当宽禁带半导体的掺杂浓度较高，异质结间的导带差较大时，会形成很高的势垒，限制量子阱中的自由电子在垂直异质结接触面方向的移动，故称这个量子阱为二维电子气（2DimensionalElectronGas）。2-DEG就是HEMT中的沟道，由于沟道所在的窄禁带半导体通常是不掺杂的，沟道中的自由移动电子远离掺杂的宽禁带半导体中电离杂质的散射，载流子能获得很高的电子迁移率。2GaN基器件第三代半导体材料，即禁带宽度大于2．2eV的宽禁带半导体材料，包括CdS(2．42eV)、SiC(3．2eV)、ZnO(3．32eV)、GaN(3．42eV)、ZnS(3．68eV)、金刚石(5．45“)、AIN(6．20eV)等。在电子器件方面，对SiC和GaN的研究相对比较成熟，GaNg材料拥有电子饱和迁移率很大，并且化学性质很稳定，有很高的击穿电压以及更高的电流能力等特点。它在高温、高频大功率器件和短波光电子器件方面，这两种材料具有前两代半导体(Si和GaAs)所不能比拟的潜力，是目前世界半导体材料和器件研究领域中的热点。2.1GaN基器件的结构AlGaN/GaNHEMT基本层结构见图1。基本层结构由缓冲层、GaN沟道层、本征AlGaN隔离层和掺杂AlGaN层组成。为提高器件的击穿特性，降低栅漏电流，还可在掺杂层上再生长帽层，可由非掺杂的GaN或AlGaN组成。AlGaN掺杂层A1组分一般为0.15至0.3，掺杂浓度范围一般为1018至2×1019cm-3。其基底材料主要有蓝宝石、SiC、Si这三种，蓝宝石成本比较低，散热性能良好，但与GaNg界面出会有的晶格失配，影响器件性能；SiC具有良好散热性能和化学稳定性，并且与GaN有较小的晶格失配，但是成本高昂；而Side虽然散热等性能没那么良好，但是其成本低廉，并且可以做到很大尺寸。目前常用的基底材料一般是蓝宝石或者SiC。图1GaNHEMT基本结构它的结构及工作原理与场效应管(FET)相似，电流都是在栅极电压的控制下从源极流向漏极在GaN与AIGaN的界面处由于导带的不连续性,会形成三角形势阱，从而在GaN一侧聚集很多的电子，形成二维电子气(TwoDimensionalEleetronGas,2DEG),从而构成AIGaN/GaNHEMT的导电沟道。AlGaN/GaNHEMT器件由于具有禁带宽度大（3.4～6.2eV）、电子饱和速度高（2.8x107cm/s）和击穿场强大（5MV/em）等优点，非常适合于高频、大功率与高温应用。然而A1GaN/GaN表面缺陷和有限的势垒高度所导致的栅泄露电流进一步限制了AIGaN/GaNHEMT器件的高频、大功率与高温可靠性。为解决这一问题，可以使用金属-绝缘层半导体（MIS）或金属-氧化物。半导体(MOS)结构来抑制栅泄露电流，然而这些绝缘栅器件与传统的A1GaN/GaNHEMT器件相比在饱和电流、跨导和开启电压方面无任何优势。2.2GaN和AlGaN的极化效应所谓的“极化现象”，是因为在III一V族化合物半导体中，离子键与共价键并存，而离子键的电子是不完全公有的,在离子键的作用下，V族原子吸引电子的能力比III族原子的大，使得电子与V族原子键合的较强，既靠近V族原子的地方，电子云密度更大，而以离子键结合的离子间的连线上靠近中心的电子云密度几乎为零。对于离子型的半导体，当晶格产生形变时，正负离子芯之间产生了偏移而使半导体产生了电场，这就是所谓的“压电效应”因为III族氮化物的强离子性导致他们的压电系数比其他族化合物大得多，而且方向也与其他化合物相反。除此之外，由于纤锌矿结构的对称性不高，III族氮化物在没有外界压力引起的形变时，也有极化作用，我们将其称之为“自发极化”。AlGaN/GaNHEMT中的极化是由压电极化PPE和自发极化PsP两种极化构成的。对于GaN与AlGaN,极化效应与其生长工艺有关，生长工艺的不同会导致Ga面极化与N面极化两种方向相反的极化形式。MOCVD方式生长的AlGaN/GaNHEMT属于Ga面极化，极化方向由Ga原子指向与其相邻的N原子。2在AlGaN/GaNHEMT中，由极化效应产生的沟道电荷能达1x10.3eV/cm2,大约是AlGAs/GaAsHEMTs的四倍。实验表明,在AlGaN层做掺杂,对2DEG并没有很明显的影响，既AlGaN/GaNHEMT中的2DEG基本上是由材料自身的极化效应提供的，其主要来源为AlGaN势垒层的表面态以及制备电极时金属接触中的电子注入。由于AlGaN/GaNHEMT可以不掺杂，从而减少了杂质原子引起的散射效应。沟道电子与电离施主在空间上是分离的，电子迁移率大大提高。可见，极化效应在AlGaN/GaNHEMT的工作原理中至关重要。极化效应最为主要是在AlGaN/GaN异质结界面处和AlGaN势垒层表面产生了静电荷。压电效应在异质结界面产生了一个+σpz的静电荷，那在金属和AlGaN表面上就产生一个-σpz的静电荷来补偿，为了保持系统中的电中性，在AlGaN/GaN异质结界面上的三角形势阱中出现了2DEG以补偿界面上正的静电荷，同时在金属和AlGaN界面也诱导出一些正电荷。其电荷分布如图2所示。图2由极化效应导致的AlGaN/GaNHEMT中的电荷分2.3异质结构中的二维电子气垂直于异质结界面的电场造成一个势阱，电子在该方向的运动受到约束，从而形成了二维电子气（2DEG）。异质结中最主要的特性是界面处具有非常高的2DEG面密度，即使在未掺杂时，也可获得高于1013cm。2面密度。氮化物异质结中高的2DEG归因于强的自发和压电极化效应。然而，必须强调的是极化效应是由于原胞中束缚电荷的再分配导致，本身不能直接产生自由电子形成2DEG。极化场的作用是促进电子从施主定域态转移到势垒层中，或在强场下电子也可能从价带转移到界面量子阱中。二维电子气浓度是影响器件性能的重要因素，然而目前2DEG的形成机理并不十分成熟。一些可能的来源包括非故意掺杂、A1GaN/GaN界面的界面态、深能级陷阱、A1GaN表面的表面态。下面采用静电学的基本原理分析2DEG的直接来源。图3为A1GaN/GaN异质结的导带示意图。假设该异质结为突变结，这对于我们定性的分析问题没有任何影响。该结构包含如下的空间电荷组分：(i)由2DEG中ns电子产生的负电荷；(ii)A1GaN/GaN界面(+σpz)和表面(-σpz)的极化诱导电荷；(iii)A1GaN势垒层中由离子化施主产生的面电荷(+σAlGaN)；(iv)由离子化表面态产生的电荷(σSurface)；(v)缓冲层电荷(σBuffer)。图4由不同空间电荷构成的AlGaN/GaNHEMT导带示意图忽略一些细节，能够得到很多重要的观点。第一，在无外电场的情况下，由电荷守恒总的空间电荷为0；第二，极化诱导电荷形成一个偶极子，对空间总电荷的净贡献为0；第三，通常缓冲层是高阻，σBuffer=O，因此可得如下的电荷守恒方程：qns=σSurface+σAlGaN(1)从上式可以看出，A1GaN／GaN异质结中的二维电子气主要来自于施主表面态和A1GaN势垒层掺杂。考虑一个未掺杂的势垒层(σAlGaN=O)，二维电子气主要来自于表面类施主态。这个假设是明确的，当考虑A1GaN势垒层中表面或者内部有特定能级分布的类施主态，或者说存在正的表面电荷补偿界面的自由子。3制备工艺图5典型GaNgHEMT各层材料及结构基本工艺流程是：衬底清洗：（H2SO4：H2PO4=3：1）中刻蚀约20min，去离子水冲洗，N2气吹干；衬底预热：800℃，暴漏在氨流中5-15min完成氨化；缓冲层AlN沉积：衬底温度800℃，铝源温度1070℃，氮源氨气的流量16SCCM；生长i-GaN：衬底温度降到700℃，镓源970℃，氨气流量35SCCM（5*E16cm-3）；长隔离层AlGaN：衬底温度800℃，Ga源温度970℃，Al源温度1070℃，氨气9SCCM，它可以阻止施主层掺杂的硅原子扩散进入沟道界面，同时提供N-AlGaN的生长条件；生长N-AlGaN：硅源温度1230ºC。制造源漏电极（利用光刻版图a），光刻欧姆接触窗口，利用电子束蒸发形成多层电极结构Ti/Al/Ti/Au(20/120/40/20nm)，剥离工艺形成源漏接触，RTA900℃，30Sec氩气保护下退火形成良好的欧姆接触。然后光刻出需要刻蚀掉的区域（利用光刻版图b），使用RIE设备，通入BCl3刻蚀台阶；最后再次利用光刻，电子束蒸发和剥离工艺形成（Ni/Al30/70nm）肖特基势垒金属（利用光刻版图c），形成栅长1um，栅宽50um图6器件三维视图图7器件版图4GaN-HEMT研究现状和未来的研究方向基于AlGaN/GaN异质结材料制造的高电子迁移率晶体管(HEMT)因其具有高的饱和漂移速度、大的导带不连续性以及强的自发极化和压电极化效应,成为大功率,高温,高频应用中具有发展潜力的器件。特别是在大功率应用方面,GaN基HEMT比GaAs基HEMT和Si基LDMOS表现出更优越的器件性能而成为目前国际研究热点。而其目前研究还有很多难点需要克服，其总体研究现状及将来的研究方向见以下框图。