原创 从此限制玩游戏

１ 引言

以ＧａＮ，ＳｉＣ，ＺｎＳｅ和金刚石等为代表的第三代宽禁带半导体材料，由于禁带宽度大、电子漂移饱和速度高、介电常数小、导热性能好等特点，非
常适合于制作高温、高频、大功率和高密度集成的电子器件。而随着ＧａＮ外延和器件制作水平的提高，以ＡｌＧａＮ／ＧａＮ异质结材料为基础的ＨＥＭＴ器件更是以大功率、耐高温等优点成为全球半导体研究的前沿热点和各国竞相占领的战略高技术制高点。由于压电效应和自发极化效应的存在，使得ＡｌＧａＮ／ＧａＮ异质结材料的二维电子气（２ＤＥＧ）浓度大大提高，甚至比ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ异质结材料的浓度高几倍，正是由于ＧａＮ材料固有的优点，吸引了大批的研究人员，使得ＡｌＧａＮ／ＧａＮ异质结材料的２ＤＥＧ研究飞速发展。

从１９９４年Ｋｈａｎ等人［１］首次报道蓝宝石衬底上的ＡｌＧａＮ／ＧａＮＨＥＭＴ器件以来，十年来器件的特性指标突飞猛进，微波输出功率和功率密度均有大幅度的提高，２００４年ＳｉＣ基ＨＥＭＴ输出功率密度已经达到３２.２Ｗ／ｍｍ， ＰＡＥ高达５４.８％ （工作频率４ＧＨｚ时）［２］，因而ＡｌＧａＮ／ＧａＮＨＥＭＴ器件成为最有希望的固态微波功率器件。

ＡｌＧａＮ／ＧａＮＨＥＭＴ材料的基础是高阻ＧａＮ缓冲层的研究。蓝宝石上生长的ＡｌＧａＮ／ＧａＮ异质结材料典型的位错密度为１０８～１０１０ｃｍ-２。由于穿透位错和复合位错的存在，增加了器件的漏电流，使得金属沿穿透位错扩散概率增加，从而引起ＨＥＭＴ器件的寿命降低。为了降低穿透位错密度，提高ＧａＮ缓冲层的晶体质量，研究人员采取了多种方法，有的依靠改善成核层的尺寸和密度来控制缓冲层的高阻特性［３-５］，有的通过ＧａＮ微结构调制外延层电阻率和杂质控制，提高ＨＥＭＴ的器件特性，补偿背景施主浓度，从而实现ＧａＮ缓冲层高阻特性，达到提高ＨＥＭＴ器件夹断特性的目的［６］。近来也有很多研究者用Ｆｅ掺杂获得了高阻特性优良的ＧａＮ缓冲层［７-８］，我们也进行了这方面的研究。

为了提高ＨＥＭＴ材料夹断特性，我们采用Ｍｇ掺杂获得高阻ＧａＮ缓冲层的方法，进行了半绝缘掺ＭｇＧａＮ缓冲层的研究，通过调节Ｍｇ掺杂的浓度来补偿背景载流子浓度，提高掺杂材料的击穿电压，最终获得了性能优越的ＨＥＭＴ材料。

２ 材料生长实验

利用低压ＭＯＣＶＤ设备，开展了蓝宝石衬底上的ＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＨＥＭＴ材料的研究。衬底采用（０００１）Ｃ面蓝宝石衬底，分别以ＴＭＧａ和ＴＭＡｌ作为Ｇａ源和Ａｌ源，以ＮＨ３作为Ｎ源，Ｎ型掺杂剂采用ＳｉＨ４，ＮＨ３，Ｈ２，Ｎ２分别经纯化器以及钯管纯化后进入系统。蓝宝石衬底在１２００℃ Ｈ２环境下预处理１０ｍｉｎ，降温到５００℃左右生长厚度约２０ｎｍ的ＧａＮ低温缓冲层，然后生长高温掺Ｍｇ的ＧａＮ外延层，以及ＡｌＮ，ＡｌＧａＮ外延层，生长温度在１０００～ ２００℃之间，生长压力控制在５０００～３００００Ｐａ之间。利用以上工艺条件，生长了三个ＧａＮ样品，厚度均为１.５μｍ，分别为非掺、轻掺和重掺镁，镁掺杂量分别为０，０.１，０.１５μｍｏｌ／ｍｉｎ。在获得了镁掺杂ＧａＮ外延层后，对蓝宝石衬底上ＡｌＧａＮ／ＧａＮ异质结材料生长工艺进行了优化。采用同样的工艺条件，生长了Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ五个ＨＥＭＴ样品，基本材料结构为：２０ｎｍ低温ＧａＮ；３μｍ高温ＧａＮ；插入层厚度ｄ（ＡｌＮ）；２０ｎｍＡｌ０.３Ｇａ０.７Ｎ。我们只是改变ＡｌＮ， ｄ从０，０.６９，１.１５，１.３８和１.６１ｎｍ。对于生长的Ｍｇ掺杂ＧａＮ材料和ＡｌＧａＮ／ＧａＮ异质结材料，分别利用Ｘ射线双晶衍射、ＰＬ光谱、汞探针ＣＶ和范德堡Ｈａｌｌ进行了测试分析。

３ 结果与讨论

３.１ Ｍｇ掺杂对ＧａＮ缓冲层ＰＬ光谱的影响

图１为三个不同Ｍｇ掺杂ＧａＮ材料的室温光荧光谱，从图中可以看到，本征ＧａＮ的黄光峰很强，黄光峰位于５７３ｎｍ，蓝光峰位置在４４１ｎｍ，而本征峰在３６２ｎｍ。而黄光峰主要来源于ＧａＮ缓冲层中的Ｇａ空位，蓝光峰来源于Ｎ空位［９］。当缓冲层中引入少量Ｍｇ杂质时，一部分Ｍｇ原子替代Ｇａ空位，成为替代原子，成为受主中心，而大部分Ｍｇ原子则以间隙原子的方式存在，因而黄光峰变弱，但同时４４１ｎｍ的蓝光峰却变强，我们认为此峰是由于电子从导带下Ｎ空位的替位Ｍｇ原子的能级到价带上Ｇａ空位的替位Ｍｇ原子的能级的跃迁引起。随着Ｍｇ掺杂的增加，从图中可以看到３８２ｎｍ的发光峰增强，我们认为该峰是由于电子从Ｍｇ间隙原子能级到价带的跃迁引起，可以看到Ｍｇ间隙原子能级在导带下１７０ｍｅＶ，这也与很多研究人员的结果一致。随着以间隙原子存在的Ｍｇ原子数量增加，电子从导带下Ｍｇ间隙原子能级到价带的跃迁增强，因而３８２ｎｍ的发光峰增强。

通过调节Ｍｇ的掺杂量，明显地使黄光峰减弱，通过对黄光峰的抑制，进一步提高了ＧａＮ缓冲层的质量，漏电减小。

３.２ Ｍｇ掺杂对ＧａＮ缓冲层晶体质量的影响

通过Ｘ射线衍射和Ｈａｌｌ测试，发现了Ｍｇ掺杂对晶体质量以及电学特性的影响规律。一般认为，非对称的（１０２）摇摆曲线展宽是由于穿透位错引起，而对称的（００２）摇摆曲线展宽则是由于螺旋位错和混合位错引起。从图２中可以看出，随着Ｍｇ掺杂的提高，非对称的（１０２）摇摆曲线半宽变宽，ＧａＮ峰的半宽从非掺杂的３００弧秒增加到３８０弧秒，穿透位错密度增加；对称的（００２）摇摆曲线ＧａＮ峰的半宽从非掺杂的２６１弧秒增加到３３０弧秒，螺旋位错和混合位错密度也随之增加，晶体质量明显变差。因为在Ｍｇ掺杂的过程中，一部分Ｍｇ原子替代Ｇａ原子成为受主中心，大部分Ｍｇ原子是以间隙原子的形式存在于晶体中，由于Ｍｇ比Ｇａ的原子半径大，在Ｍｇ替代Ｇａ以后会引起压应力，另外也由于间隙Ｍｇ原子的增加，从而会引入更多的缺陷和位错，加剧了ＧａＮ缓冲层的无序化程度。由于缺陷的增加，使得ＧａＮ缓冲层的电子陷阱密度增加，因而缓冲层的自由电子数减少，导致ＧａＮ缓冲层的电阻率提高。从图２三个样品的Ｈａｌｌ测试结果也可以验证这一点，随着Ｍｇ掺杂量的增加，晶体逐渐呈现高阻特性，电阻率超过１×１０８Ω·ｃｍ。

３.３ ＡｌＮ插入层对ＨＥＭＴ结构材料的影响

我们生长了Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ五组样品，为了便于对比，在同样的工艺条件，只改变ＡｌＮ插入层的厚度，图３为ＡｌＮ插入层厚度与ＮＳ×μ乘积的关系。Ａ样品为没有ＡｌＮ插入层的ＨＥＭＴ结构，可以看出ＨＥＭＴ结构材料的２ＤＥＧ浓度较低， ＮＳ×μ的乘积较小；当ＡｌＮ厚度为１.１５ｎｍ时，Ｃ样品的ＮＳ×μ的乘积达到最大值２.３８×１０１６／Ｖ·ｓ；当ＡｌＮ的厚度进一步增加时， ＮＳ×μ 的乘积随着减小。厚度进一步增加时， ＮＳ×μ 的乘积随着减小。由于ＡｌＮ层的插入，导带失调增加，电子穿透ＡｌＮ层进入Ａｌ０.３Ｇａ０.７Ｎ层的几率减小，界面处合金无序散射减小，增加了迁移率，同时也使得２ＤＥＧ增加。因而对于一定厚度的ＡｌＮ，ＮＳ×μ的乘积达到最大值，随着ＡｌＮ厚度的增加，逐渐接近ＡｌＮ的临界厚度，界面的悬挂键增加，使得异质结界面的缺陷增加，电子被捕获的几率增加，因而Ｅ样品的Ｎｓ×μ的乘积反而会比没有ＡｌＮ插入层时小。

３.４ ＨＥＭＴ结构材料质量表征

对于Ｃ样品，我们分别进行了Ｘ射线衍射测试、室温和低温的Ｈａｌｌ测试以及汞探针Ｃ-Ｖ测试。图４为蓝宝石衬底上ＡｌＧａＮ／ＧａＮＨＥＭＴ(０.０２）Ｘ射线衍射曲线，从图中ＧａＮ衍射峰半高宽ＦＷＨＭ为２４２.３弧秒，ＡｌＧａＮ组分０.３０，厚度约２０ｎｍ，组分比设计略高。从图中可以看到厚度干涉射峰明显，表明生长的ＨＥＭＴ结构材料界面陡峭，晶体质量良好。

图５为蓝宝石衬底上ＡｌＧａＮ／ＧａＮＨＥＭＴ汞探针Ｃ-Ｖ测试曲线，从图５中可以看出，该材料漏电很小，夹断特性好，夹断电压约为－５.３Ｖ，可以证明该材料ＧａＮ缓冲层质量很好。

对于样品Ｃ，我们采用Ｉｎ做接触制作了Ｈａｌｌ样品，室温Ｈａｌｌ测试结果为：方块电阻ＲＳ＝２６０.３Ω／ｓｑ，２ＤＥＧ载流子面密度ＮＳ＝１.２１×１０１３／ｃｍ２，迁移率μ＝１９７０ｃｍ２／Ｖ·ｓ，二者乘积为ＮＳ×μ＝２.３８×１０１６／Ｖ·ｓ。该样品在低温７７ＫＨａｌｌ测试结果为：方块电阻ＲＳ＝４４.１Ω／ｓｑ，２ＤＥＧ载流子面密度ＮＳ＝１.０９×１０１３／ｃｍ２，迁移率μ＝１３０００ｃｍ２／Ｖ·ｓ，二者乘积为ＮＳ×μ＝１.４２×１０１７／Ｖ·ｓ。

综合分析测试结果，我们认为，所生长的ＡｌＧａＮ／ＧａＮＨＥＭＴ材料，ＧａＮ缓冲层电阻率高，漏电很小，夹断特性好，生长的结构材料异质结界面
陡峭，２ＤＥＧ密度高，室温迁移率达到１９７０ｃｍ２／Ｖ·ｓ。到目前为止，蓝宝石衬底上生长的ＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＨＥＭＴ材料，我们还没有看到国内有如此高的室温迁移率报道。我们看到的文献ＳｉＣ衬底上生长的ＡｌＧａＮ／ＧａＮＨＥＭＴ材料最高室温迁移率为２０１９ｃｍ２／Ｖ·ｓ［１０］，用ＭＢＥ生长的蓝宝石上的ＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＨＥＭＴ材料最高室温迁移率为１９２０ｃｍ２／Ｖ·ｓ［１１］，我们的ＡｌＧａＮ／ＧａＮＨＥＭＴ材料室温迁移率与文献报道的相当。

４ 结论

我们在低压ＭＯＣＶＤ系统上进行了蓝宝石衬底上掺Ｍｇ半绝缘ＧａＮ的研究，通过调节Ｍｇ的掺杂量，Ｍｇ原子替代Ｇａ空位，明显的使黄光峰减弱，通过对黄光峰的抑制，进一步提高了ＧａＮ缓冲层的质量，漏电减小。同时由于间隙Ｍｇ原子的增加，会引入更多的缺陷和位错，加剧了ＧａＮ缓冲层的无序化程度，使得ＧａＮ缓冲层的电子陷阱密度增加，因而ＧａＮ缓冲层的电阻率提高，电阻率超过１×１０８Ω·ｃｍ。

在获得高阻ＧａＮ缓冲层的基础上，生长了ＡｌＧａＮ／ＧａＮＨＥＭＴ结构材料，通过优化ＡｌＮ插入层的厚度，我们得出了ＡｌＮ插入层厚度与ＮＳ×μ乘积的变化规律，从中得到当ＡｌＮ厚度为１.１５ｎｍ时，ＨＥＭＴ材料（Ｃ样品）的ＮＳ×μ的乘积达到最大值２.３８×１０１６／Ｖ·ｓ，该样品的Ｈａｌｌ迁移率达到１９７０ｃｍ２／Ｖ·ｓ，汞探针Ｃ-Ｖ测试曲线显示，该材料漏电很小，夹断特性好，夹断电压约为－５.３Ｖ。