蓝宝石衬底上AlGaN/GaN异质结的制备及性能研究

张法碧， 杨倩倩， 梁智文， 王 琦

(1.桂林电子科技大学 信息与通信学院，广西 桂林 541004；2.北京大学 东莞光电研究院，广东 东莞 523808)

近年来，基于AlGaN/GaN异质结构的高电子迁移率晶体管(HEMT)由于其优异的电学和热学性能，在大功率、高频器件中得到了广泛应用[1-4]。AlGaN/GaN异质结构一般生长在异质衬底(SiC、Si、蓝宝石等)上，且相比之下，蓝宝石衬底因其高温稳定性、低成本和成熟的生长技术而成为首选[2,5]。但蓝宝石衬底与GaN外延层之间较大的晶格失配和热失配使GaN外延层的位错密度较大，不能充分发挥材料的优异性质，从而影响器件性能[6]。为了改善AlGaN/GaN异质结构的性能，首先要降低GaN外延层的位错密度，许多外延技术被用来补偿生长中产生的位错，如低温GaN成核层、AlN缓冲层和AlGaN缓冲层等技术[6-7]。目前，低温GaN成核层外延技术已经应用于工业生产中，但位错密度仍保持在较高水平(108～1010cm-2)[8-10]。因此，对于低温GaN成核层生长条件的优化需要进行深入研究。目前关于不同成核温度下生长的GaN模板对AlGaN/GaN异质结构影响的研究较少。鉴于此，采用 MOCVD 系统制备不同生长条件下的AlGaN/GaN 异质外延材料，研究不同成核温度的非故意掺杂GaN模板对AlGaN/GaN异质结构性能的影响。用两步法[9]制备具有不同成核温度的非故意GaN 模板，在非故意掺杂GaN模板上制备不同的AlGaN/GaN 异质外延材料；在优化结构的基础上制备带有AlN插入层的AlGaN/AlN/GaN 异质外延材料，并对结构的表面形貌及电学性能进行了分析。

1 样品制备

使用德国AIXTRON的金属有机化合物化学气相沉积(即MOCVD)31片机系统在2英寸(0001)面单抛蓝宝石衬底上外延生长成核温度分别为580、600 ℃的非故意掺杂GaN模板，并在非故意掺杂GaN模板上制备Al0.30Ga0.70N/GaN异质外延材料，再制备带有AlN插入层的Al0.30Ga0.70N/AlN/GaN异质外延材料。三甲基镓(TMGa)、三甲基铝(TMAl)和氨气分别作为Ga、Al和N源，H2作为载气。实验生长流程及基本结构示意图如图1所示。

具体生长流程为：

1)升温至1 050 ℃，对sapphire衬底进行表面高温处理；

2)降温至580 ℃或600 ℃，生长200 nm GaN成核层；

3)对GaN成核层进行原位退火；

4)升温至1 200 ℃，生长GaN外延层，依次为3.3 μm的非故意掺杂GaN模板和200 nm的GaN沟道层；

5)升温至1 245 ℃，生长25 nm的Al0.30Ga0.70N势垒层。

为了研究不同成核温度的非故意掺杂GaN模板对Al0.30Ga0.70N/GaN异质结构性能的影响，分别在成核温度为580、600 ℃的非故意掺杂GaN模板上制备了Al0.30Ga0.70N/GaN异质结构，即样品A和样品B，如图1(b)所示。在成核层温度为600 ℃的样品B的基础上，制备了带有AlN插入层的Al0.30Ga0.70N/AlN/GaN异质结构，即样品C，如图1(c)所示。

2 实验结果与分析

图2为利用原位监测系统得到的Al0.30Ga0.70N/GaN异质外延材料生长过程的反射率曲线。反射率曲线有以下几个阶段：

1)GaN成核层的生长；

2)退火过程；

3)GaN外延层的生长由3D生长模式向2D生长模式转变过程；

4)GaN外延层以2D生长模式生长；

5)Al0.30Ga0.70N势垒层的生长。

图2 样品A、B的反射率

从图2可看出，随着GaN成核层生长温度的提高，在成核温度为600 ℃的非故意掺杂GaN模板上制备的Al0.30Ga0.70N/GaN异质外延材料中GaN外延层的振荡曲线振幅均匀，无明显衰减，表明该材料生长表面较平，且形貌良好。

图3为在成核温度为580、600 ℃的非故意掺杂GaN模板上制备的Al0.30Ga0.70N/GaN异质外延材料的摇摆曲线(XRC)图谱，即样品A、B 的XRC图谱。沿(002)面测试得到的样品A、B的 GaN外延层半高宽(FWHM)分别为266、178 rad·s-1；沿(102)面测试得到的样品A、B的 GaN外延层FWHM分别为229、214 rad·s-1。实验结果表明，成核温度为600 ℃的样品B具有较好的结晶质量。实验制备的样品B无论是在(002)面还是在(102)面的FWHM均明显小于文献[4]的252、582 rad·s-1，表明本实验的样品性能较为优良。

图3 样品A、B的摇摆曲线(XRC)图谱

文献[9]、[20]表明，(002)面摇摆曲线的FWHM与螺位错及混合位错的螺位错分量相关，而(102)面摇摆曲线的FWHM与刃位错及混合位错的刃位错分量相关。位错密度与FWHM 的关系满足[6]：

(1)

(2)

其中：Nscrew、Nedge分别为螺型位错密度(SDD)和刃型位错密度(EDD)；Δωs、Δωe分别为(002)面和(102)面的FWHM；a、c为伯格斯矢量(Burgers vector)，a=0.318 9 nm，c=0.518 5 nm。

样品A、B的FWHM和位错密度如表1所示。从表1可看出，样品A、B的SDD依次为13.0×107、6.24×107cm-2，样品A、B的EDD依次为4.3×108、4.1×108cm-2，这表明将GaN成核层的生长温度从580 ℃改变至600 ℃，可显著降低样品的位错密度；样品B的SDD为6.24×107cm-2，EDD为4.1×108cm-2，与文献[4]的12.8 × 107、18.1 × 108cm-2相比有明显改善，表明成核温度为600 ℃时，获得的GaN外延层晶体质量较为优良。

表1 样品A、B的FWHM和位错密度

图4为成核温度分别为580、600 ℃时GaN成核层的生长机理分析。从图4可看出，当成核层的生长温度为580 ℃时，GaN层的三维岛状结构较小，且较密集[14-15]，退火后，三维岛状结构尺寸较小，且密度较大，在后续的生长过程中，三维生长模式迅速向二维生长模式转变，这是因为成核岛合并前尺寸较小，导致成核岛合并后位错线偏转不彻底，以致无法大量阻断位错继续向上层延伸，上层GaN外延层的位错密度依然很高；随着成核层生长温度由580 ℃升至600 ℃，形成GaN三维岛状结构的尺寸增大，经过高温退火后，形成了密度适中、尺寸均匀的成核岛，在后续的GaN外延层生长过程中，随着成核岛尺寸的增大，3D成核岛逐渐合并成2D薄膜，一些位错会因岛间合并而发生转向，大量位错线发生-120°转向，从而阻断位错延伸至上级外延层，减少了穿透位错的数量。图3分析结果与图2(b)的结果相呼应。

图4 成核温度分别为580、600 ℃时GaN成核层的生长机理分析

以上研究表明，600 ℃的成核温度有利于提升样品的质量。为了进一步提升样品的特性，在成核温度为600 ℃的样品B的结构基础上研究AlN插入层的影响[16]。带有AlN插入层的样品C的基本结构如图1(d)所示，图5为无AlN插入层的样品B和带有AlN插入层的样品C的XRD(ω-2θ)图谱。对于样品B，衍射峰从左到右分别对应GaN(0002)、Al0.30Ga0.70N(0002)衍射峰；对于带有AlN插入层的样品C，衍射峰从左到右分别对应GaN(0002)、Al0.30Ga0.70N(0002)和AlN(0002)衍射峰。从图5可看出，样品C比样品B中Al0.30Ga0.70N势垒层衍射峰尖锐，表明通过插入AlN层对Al0.30Ga0.70N势垒层的外延质量有改善作用。

图5 无AlN插入层的样品B和带有AlN插入层的样品C的XRD图谱

图6为样品B、C的光学显微镜图示 (放大倍数为500倍)。从图6可看出，具有AlN插入层的Al0.30Ga0.70N/AlN/GaN异质结构的表面更加平整，并可清楚地看到原子层台阶，即台阶流生长模式[12]，这表明AlN插入层具有改善Al0.30Ga0.70N势垒层表面形貌的优点。

图6 样品B、C的光学显微镜(OM)图

对样品B、C进行Hall效应测试[13]。表2为样品B、C的电学特性。从表2可看出，在成核温度为600 ℃的非故意掺杂GaN模板上制备的Al0.30Ga0.70N/AlN/GaN(带有AlN插入层)异质外延材料的2DEG面密度提高至3.014×1013cm-2，高于无AlN插入层的样品B的2DEG面密度，该值也高于文献[11]的2DEG面密度，表明在成核温度为600 ℃的非故意掺杂GaN模板上制备的Al0.30Ga0.70N/AlN/GaN的2DEG面密度处于较高水平。由于AlN材料在GaN基半导体家族中具有最大的禁带宽度和二元化合物的特点[13,17-19]，2DEG面密度的提高与在Al0.30Ga0.70N势垒层和GaN之间插入高温AlN层提高势垒高度和减少合金散射的作用有关。

表2 样品B、C的电学特性

图7为样品B、C的方块电阻分布。从图7可看出，样品B 的最大方块电阻值为376.7 Ω，最小方块电阻值为306.8 Ω，平均方块电阻值为331.9 Ω，不均匀度为10.16 %；样品C 的最大方块电阻值为305.1 Ω，最小方块电阻值为267.5 Ω，平均方块电阻值为277.0 Ω，不均匀度为7.456 %，平均方块电阻低于文献[11]的平均方块电阻279.9 Ω。由此可见，在成核温度为600 ℃的非故意掺杂GaN模板上制备的带有AlN插入层的Al0.30Ga0.70N/AlN/GaN异质结构具有较为优良的输运特性。

图7 样品B、C的方块电阻分布

3 结束语

采用MOCVD外延设备分别在成核温度为580、600 ℃的非故意掺杂GaN模板上制备了Al0.30Ga0.70N/ GaN异质外延材料及带有AlN插入层的Al0.30Ga0.70N/GaN异质外延材料，并对样品进行了表面形貌测试、XRD测试和Hall效应测试。实验结果表明，在成核温度为600 ℃的非故意掺杂GaN模板上制备的Al0.30Ga0.70N/GaN样品表面较为平整，且位错密度处于较低水平，即SDD为6.24×107cm-2，EDD为4.1×108cm-2；与在成核温度为600 ℃时非故意掺杂GaN模板上制备的Al0.30Ga0.70N/ GaN异质外延材料相比，带有AlN插入层的Al0.30Ga0.70N/AlN/GaN异质结构的2DEG面密度增长为3.014×1013cm-2，表明AlN插入层的使用对Al0.30Ga0.70N/GaN异质结构的2DEG面密度有改善作用，且在成核温度为600 ℃的的非故意掺杂GaN模板上制备的Al0.30Ga0.70N/AlN/GaN的2DEG面密度处于较高水平；此外，在成核温度为600 ℃的非故意掺杂GaN模板上制备的Al0.30Ga0.70N/AlN/Ga N异质结构的平均方块电阻较低，为277.0 Ω，表明在成核温度为600 ℃的非故意掺杂GaN模板上制备的Al0.30Ga0.70N/AlN/GaN异质结构具有更优良的输运特性。