大尺寸Si基GaN HEMT外延薄膜的生长

鲁德，戴一航，梁利彦，周昆楠

（合肥工业大学 微电子学院，安徽 合肥 230009）

0 引 言

以GaN和SiC为首的宽禁带半导体材料能降低导通电阻的同时提高击穿电压，从而进一步降低功率和损耗，被认为是新一代电力电子器件的最佳选择。因此，GaN基HEMT器件可广泛应用在各类电子产品、新能源汽车、工业应用、可再生能源、交通运输工具等重要领域。GaN基HEMT因其器件性能优异成为目前的研究热点，其优点如下：首先，AlGaN/GaN的界面处的电子被局限在不连续的导带形成的三角形势阱里，电子只能在二维二维平面势阱内移动，产生高浓度的二维电子气。GaN层作为沟道层而AlGaN层作为势垒层，在空间上保证了电子与杂质互相分离，电子受杂质散射影响小，因此电子气的迁移率能够大幅度提高。其次，GaN材料具备的宽禁带、耐高温特性使得器件能在高温、大电场、大功率状态下工作且特性不发生显著退化。

生长GaN外延的常用衬底有碳化硅（SiC）、蓝宝石（AlO）和硅（Si）。硅衬底的价格最为低廉，且大尺寸制备技术成熟。硅衬底散热好，且容易获得不同尺寸（2-12英寸）和不同类型（n型/p型/高阻）的衬底，可满足不同的外延生长工艺需求。另外，硅衬底GaN器件还可与传统硅基器件集成在同一晶圆上，实现系统级集成。因此，Si基GaNHEMT外延迅速成为国内外企业和高校的研究热点。虽然Si基GaNHEMT外延有着诸多优势，但是GaN-on-Si外延技术的难度却是最大，如GaN和硅衬底之间的晶格失配（17%）和热失配（56%）导致GaN薄膜易龟裂、缺陷密度大、大尺寸的翘曲难控制的问题、Ga原子与硅衬底发生回熔腐蚀等。

本文利用金属有机物化学气相沉积（MOCVD）的方法在6英寸硅（111）衬底上生长了GaN HEMT外延薄膜。通过调整优化双层超晶格的AlGaN应力控制层的厚度和成分，获得翘曲控制、裂纹水平、晶体质量、表面形貌都较好的6英寸硅衬底GaN基HEMT外延薄膜。该生长方法具有大尺寸、片内均匀性好，有关2DEG的电子气浓度和迁移率等指标较好的优势。

1 实验部分

1.1 Si基GaN HEMT的MOCVD外延生长

将轻掺杂的硅（111）晶圆片放置在石墨托盘上，传入反应腔中，石墨托盘在加热温控系统的帮助下升温到1 100 ℃。通过流量计通入高纯H对硅片表面的SiO进行还原反应，去除二氧化硅的杂质。随后降温到850 ℃通入三甲基铝源（TMAl），进行预铺Al过程。随后生长多个缓冲层，包括多种平均Al组分的AlGaN应力控制层。仅接着，控制温度在1 080 ℃，通入三甲基镓源（TMGa）和CH气体，生长高阻GaN层。随后升温1 100 ℃，进行GaN沟道层生长。继续分别进行2 nm AlN插入层生长和20 nm AlGaN势垒层的生长，最后生长1 nm的GaN帽层的保护层。6英寸硅衬底AlGaN/GaN HEMT外延薄膜的生长结构示意图，如图1所示。

图1 6英寸Si基GaN HEMT外延薄膜的结构示意图。

1.2 GaN HEMT外延薄膜结构的应力控制层的设计与生长

如图2所示为应力控制层，分别由200 nm的AlN缓冲层，400 nm的AlN/AlGaN超晶格应力控制层，800 nm的AlGaN和1 400 nm的AlN/GaN超晶格应力控制层所组成。400 nm的AlN/AlGaN超晶格应力控制层的结构示意图，如图2所示。

图2 应力控制层的结构示意图以及400 nm AlN/AlGaN超晶格的结构示意图

应力控制层的具体生长步骤如下，首先生长AlN缓冲层：温度在850 ℃，生长20 nm的低温AlN缓冲层。随后升温到1 125 ℃，进行高温AlN缓冲层生长，厚度为180 nm。继续生长AlN/AlGaN超晶格，温度为 1070 ℃，进行AlN/AlGaN超晶格交替循环生长，厚度共计为400 nm。紧接着生长AlGaN，温度为1 060 ℃，生长厚度为800 nm。继续生长AlN/GaN超晶格，温度在1 050 ℃，厚度共计为1 400 nm。

2 结果与分析

与传统的AlGaN应力控制层相比，双层超晶格应力控制层技术（400 nm的AlN/AlGaN超晶格应力控制层和1 400 nm的AlN/GaN超晶格应力控制层）的引入能够更加精准调控对应的组分和厚度，更大限度地减少晶格失配的影响，解决GaN外延薄膜的裂纹问题、抑制位错缺陷。在实验的MOCVD反应腔的高Al组分AlGaN生长中，由于TMAl与NH的寄生反应较强及受石墨托盘上方的边界层厚度的影响，气相Al元素被过分消耗，导致衬底上沉积的高Al组分的固相AlGaN难以实现，因此本文通过AlN与AlGaN的超晶格生长方式来实现高Al组分的AlGaN应力控制层的生长。AlGaN应力层的晶格常数介于AlN和GaN之间，对Si与GaN的晶格差异起到缓冲作用，特别是后续GaN在AlGaN应力层上生长，会继续引入一定压应力，抵消硅与GaN之间的张应力及GaN降温产生的张应力，解决了大尺寸Si基GaN HEMT外延薄膜的裂纹问题。另外，不同Al组分的AlGaN应力控制层，可以使界面处的位错转弯或者位错角度发生改变，使位错湮灭的可能性增加，导致后续生长的GaN的位错减少，降低位错缺陷密度，有效提高GaN外延薄膜的晶体质量，提高器件的可靠性。

HEMT的核心结构AlGaN/GaN异质结的生长中，如果先插入AlN薄层，则会形成新的AlGaN/AlN/GaN异质结，对AlGaN/GaN异质结的能带产生重大影响。如图3所示，由于AlN材料比AlGaN材料具有更大的禁带宽度，导致AlN与GaN之间的导带的不连续性比AlGaN与GaN之间的导带不连续性要更大。如图3（b）所示，在AlGaN/GaN界面处会形成更深而窄的势阱，将电子限制在AlGaN/GaN界面处，从而提高二维电子气的浓度及迁移率。

图3 AlGaN/GaN异质结的能带图

图4为实验生长的Si基GaN HEMT外延薄膜的光学显微镜照片和AFM照片。从图4 （a）的光学显微镜的照片可以看出，外延薄膜的中心没有裂纹，光滑且均匀，在边缘地区也仅有少量轻微的裂纹沿着垂直边界处分布，裂纹长度只有0.5 mm。如图4（b）所示，扫描区域为5 μm×5 μm，薄膜表面均方根粗糙度为0.146 nm。表面有清晰的原子台阶，说明AlGaN势垒层是在台阶流动模式下获得的，表面平整，形貌良好。

图4 Si基GaN HEMT外延薄膜

Si基GaN HEMT外延膜厚参数测试如图5（a）所示，薄膜的平均膜厚为4.53 μm，厚度标准偏差（Std）为0.05 μm，厚度标准偏差与总膜厚的比值（衡量片内膜厚均匀性水平的指标）为1.10%，其厚度均匀性较好。外延薄膜中AlGaN势垒层的Al组分均值（片内）为23.2%（图5（b）所示，Al组分的最大值与最小值之差（用以衡量电子气迁移率特性的AlGaN势垒层的均匀性水平）为0.69%，远优于2%的业内均匀性水平。当外延片翘曲高度大于50 μm，影响着后续的器件制作工艺（如光刻对焦），对器件的良率也会产生极大的影响，因此对HEMT外延片有着严格翘曲度的限制和要求。图5（c）测试的Si基GaN HEMT外延薄膜的翘曲值在23.64 μm，完全满足集成电路的有关制程对晶圆片的翘曲度小于50 μm的要求。采用XRD的扫描对实验生长的Si基GaN HEMT外延薄膜的晶体质量进行了测试。图5（d）测试的GaN（002）面和GaN（102）面的X射线衍射的摇摆曲线（XRC）的半高宽分别是590arcsec和893arcsec。根据晶体质量与XRC半高宽的平方的正相关的关系，判断生长的GaN HEMT的薄膜晶体质量较好，其位错密度得到有效抑制和控制。

图5 Si基GaN HEMT外延薄膜

将Si基GaN HEMT外延片切成多个1 cm×1 cm的小方块，采用Van der Pauw法对每个样品的进行霍尔（Hall）测试，其中欧姆接触通过焊铟球来实现。由测量可得：2DEG的浓度为8.9×10cm，迁移率高达1 980 cm/（V·s），说明该材料具有良好的二维电子气电子输运特性，具备较高的二维电子气浓度和高迁移率和等特性，可以满足HEMT器件的应用需求。表1是本实验制备的6英寸Si基GaN HEMT外延薄膜与其他论文或研究的硅衬底AlGaN/GaN HEMT薄膜在二维电子气电子输运等特性方面的比较，可看出本文的Si基GaN HEMT外延薄膜制备方法在大尺寸上（6～8英寸）处于领先，另外2DEG电子输运特性也保持着前列的水平优势。

表1 不同研究机构的AlGaN/GaN HEMT的二维电子气电子输运特性的对比

研究Si基GaN HEMT器件在关态状态下的外加电压与电流的关系（曲线），如图6所示。器件的肖特基接触的电极尺寸（Pad Size）为0.5 mm时，在关态下，漏电流为1 μA/mm时，外加的正反向电压都大于800 V时。漏电指标表现好的主要原因是外延生长中引入AlN缓冲层，以及双层超晶格结构作为AlGaN应力控制层的设计，缩小硅衬底与GaN材料的晶格失配程度。另外，多个应力控制层还能有效阻挡界面处的位错，迫使位错转弯或者湮灭，导致后续生长的GaN的穿透位错变少，有效降低GaN外延薄膜的缺陷密度，提高GaN外延薄膜的晶体质量，增强了HEMT器件的可靠性和稳定性。从曲线看，当外加电压接近950 V，电流没有出现明显放大，器件并未击穿，进一步验证了器件具备较高耐压值的性能。此外，高阻GaN结构的设计和生长也很关键。高阻GaN结构采用主动通入CH气体作为碳源的主动掺碳技术。相对于被动掺碳技术，能够在不降低薄膜晶体质量的前提下，通过提高GaN掺碳浓度，提高高阻GaN结构的电阻率，从而提强Si基GaN HEMT器件的耐压性能。

图6 Si基GaN HEMT器件在关态下的电流-电压（I-V）特性曲线

3 结 论

利用MOCVD的生长技术，在6英寸Si衬底上进行了GaN HEMT外延薄膜的生长。通过调试优化AlN缓冲层和AlGaN应力控制层，特别是引入两个总厚度分别为400 nm的AlN/AlGaN超晶格和1 400 nm的AlN/GaN超晶格应力控制层，成功生长出无裂纹、高均匀性且翘曲度可控的硅基GaN HEMT外延薄膜。其2DEG电子气浓度为8.9×10cm，迁移率高达1 980 cm/（V·s）。与传统的HEMT外延薄膜相比，本文的MOCVD外延技术具有大尺寸、成本低、薄膜均匀性好的特点，是有效降低GaN HEMT器件制造成本进行产业化的重要技术之一。