双AlN插入层法在Si图形衬底上进行AlGaN/GaN HEMT的MOCVD生长

王勇，余乃林，王丛舜，刘纪美

（1.长春理工大学 高功率半导体激光国家重点实验室，长春 130022；2香港科技大学 电子及计算机工程系 光电子中心，香港）

GaN基宽禁带化合物半导体材料，被广泛应用于光电子器件，高功率微波器件及高温电子器件等领域，并以其优越的电子、机械及化学特性，在微机电系统（MEMS）领域引起了广泛兴趣［1-2］。GaN材料以其较宽的带隙、大的弹性模量、高的压电系数，以及好的化学稳定性，已经成为一种理想的用于环境探测的微传感器［1-3］。AlGaN/GaN高迁移率晶体管（HEMT）由于其高的电子迁移率和高的击穿电压，在微波功率器件和微传感器方面展示了优越的特性。

降低HMET生产成本的方法之一是尽可能使用成熟的Si基技术。然而，和蓝宝石、SiC衬底相比，在Si衬底上生长GaN薄膜面临着巨大的挑战，因为在GaN和Si之间存在着大的晶格失配和热失配，尤其是56%的热膨胀系数通常会导致Si衬底上生长的GaN薄膜在降温时产生大量裂纹，这严重影响了器件的应用［4-5］。另外，Si衬底上的不规则图形也会使应力状态变差，导致更多裂纹的形成。

许多技术已经被尝试用来消除外延生长的GaN薄膜表面的裂纹。在Si衬底上制备规则方块图形，以及在GaN外延层中插入单AlN插入层法，可释放张应力，减少裂纹［6］。本文采用双AlN插入层法，在Si（111）不规则图形衬底上进行AlGaN/GaN HEMT的MOCVD外延生长，以减小应力和消除GaN薄膜表面的裂纹，以达到HEMT器件在MEMS领域的有效应用。

1 实验

在本实验中，Si图形衬底采用SiO2掩膜和湿法腐蚀（无掩膜）两种方法进行制备。对于SiO2掩膜情况，GaN只能在非掩膜区的Si表面外延生长。AlGaN/GaN HEMT采用MOCVD外延生长，衬底为没有图形（平面衬底）、湿法刻蚀图形、SiO2掩膜图形的Si（111）衬底。

在GaN生长之前，Si衬底上先1150℃高温生长20nm AlN成核层，然后再1160℃生长1μmGaN缓冲层。为了比较插入层个数对GaN外延层应力的影响，单AlN插入层和双AlN插入层分别插入此1 μmGaN缓冲层，AlN插入层的生长温度为960℃，生长厚度为20nm，两种生长结构如图1（a）和1（b）所示。最后，在1μmGaN缓冲层上面进行HEMT结构外延生长，HEMT结构包括2nm非掺的AlGaN空间层，15nm Si掺的AlGaN调制掺杂层，和3nm非掺的AlGaN盖层。

图1 HEMT结构简图Fig.1 The schematic figure of the HEMT structure with

双晶X射线衍射（XRD）、光学显微镜、扫描电子显微镜（SEM）、微拉曼测试、以及水银探针电容-电压（C-V）测试等用来表征GaN薄膜的质量、应力、表面形貌以及异质结界面等信息。AlN和GaN层的厚度是通过一种薄膜测量装置（Filmetrics）进行原位监测，光源采用600nm激光源。

2 结果和分析

高温AlN作为成核层用来初始化GaN外延生长。AlN成核层可以降低GaN外延层中的失配位错，并通过成核过程中岛的聚合控制GaN的内部应力，从而补偿张应力［6-7］。

AlN插入层则是用来减少在GaN外延生长过程中引进来的张应力。当1μmGaN外延层中只有单AlN插入层时，结构如图1（a）所示，样品表面会产生大量裂纹，如图2（a）、2（b）和2（c）所示。这说明单AlN插入层不足以提供足够的压应力，以致于大的张应力通过形成裂纹的方式释放出来。

图2 Si衬底上生长HEMT样品的光学显微镜照片Fig.2 The microscope images of HEMTs grown on Si substrates

为了更好的释放张应力和消除裂纹，在1μ mGaN外延层中插入了双AlN插入层，如图1（b）所示。通过在1μmGaN外延层中插入了双AlN插入层，所生长的样品表面光滑闪亮，无裂纹，光学显微镜照片如图2（d）和图4（a）-（d）所示。这说明双AlN插入层可以有效的释放张应力，消除了由于张应力的存在而产生的裂纹。

图3（a）和（b）分别比较了无图形Si衬底上生长的1μmGaN外延层的XRDw扫描的GaN（0002）和GaN（10-12）半高宽，比较结果如表1所示。其中样品A结构为1μmGaN外延层中无AlN插入层，样品B结构为1μmGaN外延层中插入单AlN插入层，样品C结构为1μmGaN外延层中插入双AlN插入层。结果显示随着AlN插入层的增加，GaN的半高宽也增加，这说明AlN插入层的增加可以有效的降低GaN外延层的张应力，但却牺牲了GaN外延层的生长质量。

表1 1μmGaN外延层中无AlN插入层、有单AlN插入层和有双AlN插入层的XRD w扫描比较结果Tab.1 The comparison of XRD results

图3 1μmGaN外延层中无AlN插入层、有单AlN插入层和有双AlN插入层的XRD w扫描结果Fig.3 The XRD results of the HEMT structures without AlN interlayer，with single AlN interlayer and with double AlN interlayer.

图4展示了采用双AlN插入层方法在Si图形衬底上生长的无裂纹HEMT样品表面的光学显微镜照片。如图4（c）所示，对于SiO2掩膜图形Si衬底上生长的HEMT样品，在样品表面较大的掩膜台面区上，存在着大块黑色的不定形GaN，这是由于Ga和N吸附原子的扩散长度远小于掩膜台面区的长度，以致于这些吸附原子没有充足的能量占据合适的晶格位置，结果在这些大的掩膜台面区生成了不定形GaN。而对于湿法刻蚀Si图形衬底上生长的HEMT样品，没有观测到不定形GaN。

图4 采用双AlN插入层法在Si图形衬底上生长的HEMT样品表面的光学显微镜照片Fig.4 The microscope images of the patterns of the HEMTs with double AlN interlayers grown on Si.

在使用优化的双AlN插入层之前，在HEMT样品表面会观察到很多的裂纹，如图2（a）-（c）所示。尤其对于生长在图形衬底上的HEMT样品，在沿［1-100］方向比沿［11-20］方向观察到了更多的裂纹，这是由于GaN（1-100）面比GaN（11-20）面更稳定［8］。见于此，我们在Si衬底上沿着这两个方向制备了条形图案。图5展示了沿［1-100］和［11-20］方向生长的HEMT样品的SEM照片，在沿［1-100］方向观察到了很多裂纹，而在沿［11-20］方向却没有。建议在图形设计中，长边应沿着［11-20］方向进行制备，如此在GaN（1-100）面制备得到的条形图案有助于抑制裂纹的形成。

图6展示了一个图形上不同位置的GaN薄膜的拉曼峰位置。从图中可以看出，在图形凹角处GaN拉曼峰位置为564.5cm-1，在图形凸角处GaN拉曼峰位置为565.5cm-1，而对于应力完全释放的GaN拉曼峰位置为568cm-1，如此可以计算出在图形凹角处和在图形凸角处GaN拉曼位移分别为3.5cm-1和2.5cm-1。因此，可以认为在图形凹角处比在图形凸角处有更大的GaN拉曼位移，说明在图形凹角处有更大的张应力。然而，在一处有裂纹的图形凹角处的GaN拉曼峰位置为565.1cm-1，大于其它没有裂纹的图形凹角处的GaN拉曼峰位置，如图5所示，这是由于裂纹使该凹角处的部分应力得到释放。

图5 沿［1-100］和［11-20］生长的HEMT样品的SEM照片（250倍）Fig.5 SEM photos of the patterns along the［1-100］and［11-20］orientations under the magnification of 250

图6 一个图形上不同位置的GaN薄膜的拉曼峰位置Fig.6 Raman peak positions of the pattern at the concave corners and convex corners.

图7 采用双AlN插入层生长的HEMT样品的C-V测试曲线Fig.7 The C-V results of the HEMT structure with double AlN interlayer

图7展示了采用双AlN插入层生长的HEMT样品的水银探针电容-电压（C-V）测试曲线。如图所示，HEMT器件的阈值电压为-3.5V，电容最大和最小的比值近似为20。在阈值电压时陡峭的电容变化曲线暗示外延得到了较好的GaN/AlGaN异质界面。

3 结论

通过采用双AlN插入层法，在非图形和图形Si（111）衬底上获得了无裂纹的AlGaN/GaN HEMT结构。双AlN插入层可有效的释放张应力，但却牺牲了GaN外延层的生长质量。

由于GaN（1-100）面比GaN（11-20）面更稳定，因此在生长过程中沿［1-100］方向比在沿［11-20］方向更容易产生裂纹。对于在图形衬底上生长的HEMT样品，在同一个图形的不同位置上，凹角处比凸角处有更大的GaN拉曼位移，说明在图形凹角处有更大的张应力。水银探针C-V测试曲线暗示外延得到了较好的GaN/AlGaN异质界面。

［1］Pearton S J，Zoper J C，Shul R J，et al.GaN：processing defect，and devices［J］.Appl Phys，1999，86（1）：1-78.

［2］Pearton S J，Kang B S，Kim S，et al.GaN-based diodes and transistors for chemical，gas，biological and pressure sensing［J］.J Phys：Condens Matter，2004，16（29）：961-994.

［3］Han S，Jin W，Tang T，et al.Controlled growth of gallium nitride single-crystal nanowires using a chemical vapor deposition method［J］.J Mater Res，2003，18（2）：245-249.

［4］Katona T M，Speck J S，Denbaars S P.Effect of the Nucleation Layer on Stress during Cantilever Epitaxy of GaN on Si（III）［J］.Phys Stat Sol（a），2002，194（2）：550-553.

［5］Krost A，Dadgar A.GaN-based optoelectronics on silicon substrates［J］.Materials Science and Engineering.2002，B93：77.

［6］Zhang B S，Liang H，Wang Y，et al.High-performance III-nitride blue LEDs grown and fabricated on patterned Sisubstrates［J］.Journal of Crystal Growth，2007，298：725-730.

［7］Wang Y，Yu N S，Deng D M，et al.Improved breakdown voltage of AlGaN/GaN HEMTs grown on Si substrates using partially Mg-doped GaN buffer layer by MOCVD［J］.SCIENCE CHINA，Physics，Mechanics& Astronomy，2010，53（9）：1578-1581.

［8］Nitta S，Kashima T，Kariya M，et al.Mass transport，faceting and behavior of dislocations ［J］.GaN MRS Internet J Nitride emicond Res，2000，5S1：W2.8.