高溫生長(zhǎng)雙aln插層的制備及其生長(zhǎng)特性

高溫生長(zhǎng)雙aln插層的制備及其生長(zhǎng)特性

gan基寬帶化合物的廣泛應(yīng)用于光書(shū)店、高功能微波器和高溫書(shū)店。由于其優(yōu)越的電子、機(jī)械和化學(xué)性能，它引起了人們對(duì)微電機(jī)系統(tǒng)（ss）領(lǐng)域的廣泛興趣。GaN材料以其較寬的帶隙、大的彈性模量、高的壓電系數(shù)，以及好的化學(xué)穩(wěn)定性，已經(jīng)成為一種理想的用于環(huán)境探測(cè)的微傳感器。AlGaN/GaN高遷移率晶體管（HEMT）由于其高的電子遷移率和高的擊穿電壓，在微波功率器件和微傳感器方面展示了優(yōu)越的特性。降低HMET生產(chǎn)成本的方法之一是盡可能使用成熟的Si基技術(shù)。然而，和藍(lán)寶石、SiC襯底相比，在Si襯底上生長(zhǎng)GaN薄膜面臨著巨大的挑戰(zhàn)，因?yàn)樵贕aN和Si之間存在著大的晶格失配和熱失配，尤其是56%的熱膨脹系數(shù)通常會(huì)導(dǎo)致Si襯底上生長(zhǎng)的GaN薄膜在降溫時(shí)產(chǎn)生大量裂紋，這嚴(yán)重影響了器件的應(yīng)用。另外，Si襯底上的不規(guī)則圖形也會(huì)使應(yīng)力狀態(tài)變差，導(dǎo)致更多裂紋的形成。許多技術(shù)已經(jīng)被嘗試用來(lái)消除外延生長(zhǎng)的GaN薄膜表面的裂紋。在Si襯底上制備規(guī)則方塊圖形，以及在GaN外延層中插入單AlN插入層法，可釋放張應(yīng)力，減少裂紋。本文采用雙AlN插入層法，在Si(111）不規(guī)則圖形襯底上進(jìn)行AlGaN/GaNHEMT的MOCVD外延生長(zhǎng)，以減小應(yīng)力和消除GaN薄膜表面的裂紋，以達(dá)到HEMT器件在MEMS領(lǐng)域的有效應(yīng)用。1si襯底生長(zhǎng)及結(jié)構(gòu)表征在本實(shí)驗(yàn)中，Si圖形襯底采用SiO2掩膜和濕法腐蝕（無(wú)掩膜）兩種方法進(jìn)行制備。對(duì)于SiO2掩膜情況，GaN只能在非掩膜區(qū)的Si表面外延生長(zhǎng)。AlGaN/GaNHEMT采用MOCVD外延生長(zhǎng)，襯底為沒(méi)有圖形（平面襯底）、濕法刻蝕圖形、SiO2掩膜圖形的Si(111）襯底。在GaN生長(zhǎng)之前，Si襯底上先1150℃高溫生長(zhǎng)20nmAlN成核層，然后再1160℃生長(zhǎng)1μmGaN緩沖層。為了比較插入層個(gè)數(shù)對(duì)GaN外延層應(yīng)力的影響，單AlN插入層和雙AlN插入層分別插入此1μmGaN緩沖層，AlN插入層的生長(zhǎng)溫度為960℃，生長(zhǎng)厚度為20nm，兩種生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)如圖1(a）和1(b）所示。最后，在1μmGaN緩沖層上面進(jìn)行HEMT結(jié)構(gòu)外延生長(zhǎng)，HEMT結(jié)構(gòu)包括2nm非摻的AlGaN空間層，15nmSi摻的AlGaN調(diào)制摻雜層，和3nm非摻的AlGaN蓋層。雙晶X射線衍射（XRD）、光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡（SEM）、微拉曼測(cè)試、以及水銀探針電容-電壓（C-V）測(cè)試等用來(lái)表征GaN薄膜的質(zhì)量、應(yīng)力、表面形貌以及異質(zhì)結(jié)界面等信息。AlN和GaN層的厚度是通過(guò)一種薄膜測(cè)量裝置（Filmetrics）進(jìn)行原位監(jiān)測(cè)，光源采用600nm激光源。2si圖形si襯底上生長(zhǎng)的hemt樣品高溫AlN作為成核層用來(lái)初始化GaN外延生長(zhǎng)。AlN成核層可以降低GaN外延層中的失配位錯(cuò)，并通過(guò)成核過(guò)程中島的聚合控制GaN的內(nèi)部應(yīng)力，從而補(bǔ)償張應(yīng)力。AlN插入層則是用來(lái)減少在GaN外延生長(zhǎng)過(guò)程中引進(jìn)來(lái)的張應(yīng)力。當(dāng)1μmGaN外延層中只有單AlN插入層時(shí)，結(jié)構(gòu)如圖1(a）所示，樣品表面會(huì)產(chǎn)生大量裂紋，如圖2(a）、2(b）和2(c）所示。這說(shuō)明單AlN插入層不足以提供足夠的壓應(yīng)力，以致于大的張應(yīng)力通過(guò)形成裂紋的方式釋放出來(lái)。為了更好的釋放張應(yīng)力和消除裂紋，在1μmGaN外延層中插入了雙AlN插入層，如圖1(b）所示。通過(guò)在1μmGaN外延層中插入了雙AlN插入層，所生長(zhǎng)的樣品表面光滑閃亮，無(wú)裂紋，光學(xué)顯微鏡照片如圖2(d）和圖4(a）-（d）所示。這說(shuō)明雙AlN插入層可以有效的釋放張應(yīng)力，消除了由于張應(yīng)力的存在而產(chǎn)生的裂紋。圖3(a）和（b）分別比較了無(wú)圖形Si襯底上生長(zhǎng)的1μmGaN外延層的XRDw掃描的GaN(0002）和GaN(10-12）半高寬，比較結(jié)果如表1所示。其中樣品A結(jié)構(gòu)為1μmGaN外延層中無(wú)AlN插入層，樣品B結(jié)構(gòu)為1μmGaN外延層中插入單AlN插入層，樣品C結(jié)構(gòu)為1μmGaN外延層中插入雙AlN插入層。結(jié)果顯示隨著AlN插入層的增加，GaN的半高寬也增加，這說(shuō)明AlN插入層的增加可以有效的降低GaN外延層的張應(yīng)力，但卻犧牲了GaN外延層的生長(zhǎng)質(zhì)量。圖4展示了采用雙AlN插入層方法在Si圖形襯底上生長(zhǎng)的無(wú)裂紋HEMT樣品表面的光學(xué)顯微鏡照片。如圖4(c）所示，對(duì)于SiO2掩膜圖形Si襯底上生長(zhǎng)的HEMT樣品，在樣品表面較大的掩膜臺(tái)面區(qū)上，存在著大塊黑色的不定形GaN，這是由于Ga和N吸附原子的擴(kuò)散長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于掩膜臺(tái)面區(qū)的長(zhǎng)度，以致于這些吸附原子沒(méi)有充足的能量占據(jù)合適的晶格位置，結(jié)果在這些大的掩膜臺(tái)面區(qū)生成了不定形GaN。而對(duì)于濕法刻蝕Si圖形襯底上生長(zhǎng)的HEMT樣品，沒(méi)有觀測(cè)到不定形GaN。在使用優(yōu)化的雙AlN插入層之前，在HEMT樣品表面會(huì)觀察到很多的裂紋，如圖2(a）-（c）所示。尤其對(duì)于生長(zhǎng)在圖形襯底上的HEMT樣品，在沿[1-100]方向比沿[11-20]方向觀察到了更多的裂紋，這是由于GaN(1-100）面比GaN(11-20）面更穩(wěn)定。見(jiàn)于此，我們?cè)赟i襯底上沿著這兩個(gè)方向制備了條形圖案。圖5展示了沿[1-100]和[11-20]方向生長(zhǎng)的HEMT樣品的SEM照片，在沿[1-100]方向觀察到了很多裂紋，而在沿[11-20]方向卻沒(méi)有。建議在圖形設(shè)計(jì)中，長(zhǎng)邊應(yīng)沿著[11-20]方向進(jìn)行制備，如此在GaN(1-100）面制備得到的條形圖案有助于抑制裂紋的形成。圖6展示了一個(gè)圖形上不同位置的GaN薄膜的拉曼峰位置。從圖中可以看出，在圖形凹角處GaN拉曼峰位置為564.5cm-1，在圖形凸角處GaN拉曼峰位置為565.5cm-1，而對(duì)于應(yīng)力完全釋放的GaN拉曼峰位置為568cm-1，如此可以計(jì)算出在圖形凹角處和在圖形凸角處GaN拉曼位移分別為3.5cm-1和2.5cm-1。因此，可以認(rèn)為在圖形凹角處比在圖形凸角處有更大的GaN拉曼位移，說(shuō)明在圖形凹角處有更大的張應(yīng)力。然而，在一處有裂紋的圖形凹角處的GaN拉曼峰位置為565.1cm-1，大于其它沒(méi)有裂紋的圖形凹角處的GaN拉曼峰位置，如圖5所示，這是由于裂紋使該凹角處的部分應(yīng)力得到釋放。圖7展示了采用雙AlN插入層生長(zhǎng)的HEMT樣品的水銀探針電容-電壓（C-V）測(cè)試曲線。如圖所示，HEMT器件的閾值電壓為-3.5V，電容最大和最小的比值近似為20。在閾值電壓時(shí)陡峭的電容變化曲線暗示外延得到了較好的GaN/AlGaN異質(zhì)界面。3hemt樣品的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償通過(guò)采用雙AlN插入層法，在非圖形和圖形Si(111）襯底上獲得了無(wú)裂紋的AlGaN/GaNHEMT結(jié)構(gòu)。雙AlN插入層可有效的釋放張應(yīng)力，但卻犧牲了GaN外延層的生長(zhǎng)質(zhì)量。由于GaN(1-100）面比GaN(11-2