基于AlN的AlGaN/GaN HEMT器件中界面调制技术应用的研究

《Applied Surface Science》：Study on the application of interface modulation technology in AlN-based AlGaN/GaN HEMT devices

GaN外延生长 AlN衬底 界面调制技术 二维生长模式 高电子迁移晶体管|

　　

董耀龙|饶金|张亚超|刘文军|王白琪|段焕涛|郝月|张金城

中国西安电子科技大学微电子学院宽禁带半导体技术国家重点学科实验室，中国西安太白南路2号，邮编710071

摘要

在本研究中，我们发现了在AlN衬底上直接外延生长GaN薄膜时出现的不完全聚合现象，并强调了界面调制在实现高质量GaN生长中的关键作用。界面调制增强了吸附原子的扩散，从而减少了缺陷的形成。这种方法使得在低GaN源流量的条件下也能实现逐层生长。研究结果显著提高了AlN衬底上GaN的晶体质量，为基于AlN的AlGaN/GaN高电子迁移率（HEMT）器件的优异性能奠定了基础。这些HEMTs在栅极-漏极间距（L_GD = 12.5?μm）时，达到了965.6?mA/mm的饱和电流密度、200 mS/mm的峰值跨导以及1986?V的击穿电压。这证实了界面调制策略的实用性和技术重要性，并展示了在AlN衬底上制造高功率器件的巨大潜力。

引言

氮化铝（AlN）作为一种宽禁带半导体，在需要高击穿电压和高频性能的高功率器件中引起了广泛关注。AlN的显著材料特性，包括其宽禁带（约6.2 eV）、高热导率（340?W·m?¹·K?1）和高击穿场强（12–15 MV/cm），使其成为此类应用的理想候选材料[1]、[2]、[3]。与Si、SiC、GaN和β-Ga₂O₃等材料相比，AlN在评估功率器件材料的关键参数——Baliga优值（BFOM）[4]方面具有明显优势。基于AlN衬底的器件表现出比在传统SiC衬底上生长的高电子迁移率晶体管（HEMTs）更优越的电性能和热管理能力。这种优越性主要归因于AlN衬底本身低位错密度和高热导率[5]。M. Wolf等人最近实现了基于AlN的GaN沟道HEMTs的创纪录功率密度，达到1.17 GW/cm²，电流密度为400?mA/mm，击穿场强为125?V/μm[1]。这些成就凸显了基于AlN的HEMTs在高频和高功率开关应用中的巨大潜力[6]。

尽管基于GaN的HEMTs在过去几十年里得到了广泛研究，但在外延衬底上生长的GaN晶体质量仍然是开发高性能器件的关键瓶颈[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]。在异质外延生长过程中，GaN外延层与衬底之间的晶格失配和热膨胀系数差异不可避免地会导致高密度位错的形成。这些位错作为非辐射复合中心和电流泄漏路径，严重降低了器件的量子效率、可靠性和寿命[13]、[14]、[15]、[16]。虽然商用单晶AlN衬底的出现显著降低了GaN外延层中的位错密度[17]，促进了GaN沟道HEMTs的发展，但在AlN衬底上生长高质量GaN层仍然面临诸多挑战。

在AlN和β-Ga₂O₃（100）等低表面能衬底上进行异质外延生长时，会遇到内在的动力学障碍[18]。缩短的原子扩散长度限制了最佳的二维（2D）生长（Frank-van der Merwe模式），并促进了三维（3D）岛屿结构的形成（Volmer-Weber模式）[19]。因此，当生长厚度低于临界阈值时，岛屿结构往往无法完全融合。当超过临界厚度时，GaN与AlN之间的晶格失配（约2.4%）引起的压缩应变会通过位错生成或生长模式的转变来缓解。传统上，为了克服这一动力学障碍，研究人员采用提高三甲基镓（TMGa）流量（即降低V/III比例）的方法来增强GaN的超饱和度并促进岛屿的聚合[20]、[21]、[22]、[23]。然而，较高的TMGa流量会导致GaN层中无意掺杂的碳（C）浓度增加[24]。C杂质在GaN层中充当深能级受主，产生补偿效应，导致在高漏极电压下电流下降[25]、[26]。

其他方法，如引入AlN成核层、超晶格缓冲层和梯度AlGaN层[27]、[28]、[29]、[30]，主要侧重于缓解应力，但并未完全解决低表面能衬底上原子迁移率降低的根本动力学问题。此外，超晶格结构通常需要精确控制多个薄层，并涉及复杂的生长过程。目前的技术在实现完全岛屿聚合和优异晶体质量方面面临挑战：较高的TMGa流量虽然增强了岛屿聚合，但会产生更多位错；而较低的TMGa流量虽然减少了缺陷，但由于扩散不良会导致表面不连续性。本研究提供了一种新的技术，通过控制表面能梯度来克服这些问题。利用界面调制技术，在低TMGa流量下促进了原子扩散，促进了二维GaN的生长模式。该方法通过降低吸附原子的迁移障碍，减轻了传统应力管理缓冲层的限制，从而减少了缺陷密度并显著提高了GaN层的晶体质量。这种方法成功制造出了高质量的AlGaN/GaN HEMTs，实现了965.6?mA/mm的饱和电流密度和1986?V的击穿电压，栅极-漏极间距为12.5?μm。这证实了界面调制策略的实用性和技术重要性，使用该方法制造的AlGaN/GaN器件展示了在AlN衬底上制造高功率器件的巨大潜力。

实验部分

实验

本研究中的所有样品都是在c-plane（0001）取向的单晶AlN衬底（10?×?10?mm²）上，采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）系统生长的。为了系统研究GaN超饱和度对表面聚合的影响并验证界面调制技术，设计了两组对比样品，如图1所示。第一组样品（S1-S3）通过调整工艺参数，在AlN衬底上直接沉积了1?μm厚的GaN缓冲层。

接触角、表面能和表面势

表面能是决定异质外延过程中初始成核和生长模式的关键因素。接触角测量是表征固体表面能的有效方法，直接反映了固体表面的润湿性。在本研究中，选择去离子水（极性液体）和碘化甲基（非极性液体）作为探针液体，测量了块状AlN单晶衬底和在SiC上生长的400?nm AlN模板片的静态接触角。

结论

本研究探讨了引入AlGaN表面能梯度层进行界面调制对基于GaN的高电子迁移率晶体管（HEMTs）质量和性能的影响。结果表明，这种方法有效促进了二维生长并减少了缺陷密度，从而显著提升了器件的电性能。这些HEMTs达到了965.6?mA/mm的饱和电流密度、200 mS/mm的峰值跨导以及

作者贡献声明

董耀龙：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法论，研究，数据分析。饶金：撰写 – 原稿，研究，数据分析。张亚超：指导，资源协调，方法论，研究。刘文军：软件应用，方法论，研究，数据分析。王白琪：方法论，研究，数据分析。段焕涛：指导，方法论，研究，数据分析。郝月：指导，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：62174127）、山西省重点研发计划（项目编号：202202030201001）以及合肥综合性国家科学中心的支持。