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ScAlN-GaN异质结的分子束外延生长与表征研究

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ScAlN-GaN异质结的分子束外延生长与表征研究

ScAlN/GaN异质结的分子束外延生长与表征研究

概述

ScAlN/GaN异质结是一种重要的材料体系，具有广泛的应用潜力，尤其在高电子迁移率晶体管（HEMT）和蓝紫外发光二极管（LED）等器件方面。本研究使用分子束外延（MBE）技术生长ScAlN/GaN异质结，并对其进行表征研究，以探索其生长机制和材料特性。

研究方法

研究中使用的基片是(0001)面取向的氧化锆（ZrO2）基片。首先，在基片上生长了一层约30 nm的GaN保护层，以防止基片表面的氧化。然后，在GaN保护层上使用MBE技术依次生长了ScN和AlN薄膜。在ScN和AlN生长过程中，分别采用了不同的生长参数和原料气体比例，以控制合金结构的形成。最后，生长了一层厚度约为1μm的GaN薄膜，形成ScAlN/GaN异质结。

表征结果

使用高分辨X射线衍射（HRXRD）技术对样品进行了结构表征。实验结果显示，ScAlN/GaN异质结具有良好的结晶品质和高度的晶体结构完整性。此外，使用扫描电子显微镜（SEM）观察样品表面形貌，发现表面平整、均匀且无明显的缺陷或裂纹。这表明在生长过程中，MBE技术能够有效地控制材料的形貌和缺陷密度。

进一步使用原子力显微镜（AFM）测量了样品的表面粗糙度。实验结果显示，ScAlN/GaN异质结表面粗糙度均匀且较低，平均值约为0.4 nm。这表明MBE生长技术能够在异质结界面形成较好的原子排列，从而获得更平整的表面。

使用透射电子显微镜（TEM）对异质结进行了微观结构表征。实验发现，ScN和AlN在异质结中具有良好的晶体匹配度，形成了连续的界面，且无明显的结构缺陷或位错。这表明MBE技术能够实现ScAlN/GaN异质结的无缺陷生长。

电学特性的研究表明，ScAlN/GaN异质结的电子迁移率（μ）和电子浓度（n）分别达到了1733 cm²/Vs和2.1×10¹³ cm⁻³，与先前的报道相当。这表明生长的异质结具有良好的导电性能，有助于器件性能的提升。

结论

本研究使用MBE技术成功地生长了ScAlN/GaN异质结，并对其进行了详细的表征。实验结果表明，MBE技术能够有效地控制材料的结晶品质、表面形貌和界面结构等特性。同时，生长的异质结具有良好的电学特性，可在HEMT和LED等器件中得到应用。这对ScAlN/GaN异质结的进一步研究和应用有着重要的指导意义

综上所述，使用MBE技术成功地生长了ScAlN/GaN异质结，并对其进行了全面的表征。实验结果显示，MBE技术能够实现较好的原子排列和无缺陷的生长，从而获得表面粗糙度较低且均匀的异质结。透射电子显微镜的结果表明，ScN和AlN在异质结中形成了连续的界面，且无明显的结构缺陷或位错。电学特性的研究显示，ScAlN/GaN异质结具有良好的导电性能，电子迁移率和电子浓度分别达到了1733 cm²/Vs和2.1×10¹³

cm⁻³。这些结果表明，生长的异质结适用于HEMT和LED等器件，对于ScAlN/GaN异质结的进一步研究和应用具有重要的指导意义

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分子束外延生长AlGaNGaN异质结与性能表征

分子束外延生长AlGaNGaN异质结与性能表征

分子束外延生长AlGaN/GaN异质结与性能表征

以GaN为代表的第三代半导体材料在高频高压领域的应用远优于第一代和第二代半导体。而且由于自发极化和压电极化效应,第三代半导体材料在AlGaN/GaN异质结界面会形成高浓度二维电子气,在高电子迁移率晶体管HEMT器件方面有非常大的应用前景。

常见异质结外延手段有MOCVD、MBE和HVPE三种方法,其中MBE相对于其他两种外延手段外延精度更高,温度更低,适合于生长超薄外延层。本文通过MBE外延蓝宝石基AlGaN/GaN异质结,主要研究成果如下:1.蓝宝石基AlGaN/GaN异质结结构包括GaN缓冲层、AlN插入层、AlGaN势垒层和GaN盖帽层。

MBE外延势垒层时Ga源束流保持不变,通过控制Al源束流来控制势垒层组分,发现势垒层组分在0.247时异质结表现出二维电子气效应,室温(300K)最高迁移率为1020cm2/Vs。MBE外延插入层时通过控制插入层生长时间来控制插入层厚度,当插入层厚度在1.19nm时异质结二维电子气输运特性最好,低温迁移率最高为3836cm2/Vs。

2.优化势垒层组分及插入层厚度等条件后的样品表征结果如下:(1)异质结势垒层精确组分为0.242。(2)材料表面粗糙度为0.441 nm,界面均方根粗糙度为0.335nm。

(3)GaN缓冲层厚度为610nm,AlN插入层厚度为1.19nm,AlGaN势垒层厚度为20.2nm,GaN盖帽层厚度为6.13nm。(4)异质结体材料平均位错密度为2.2×109/c1cm2,其中平均刃型位错密度为3.7×108/cm2,平均螺型位错密度为1.8×109/cm2,材料中螺型位错起主要作用。

异质结界面处位错密度为3.3×109/cm2,其中螺型位错密度为1.1×109/cm2,刃型位错密度为2.2×109/cm2,界面上刃型位错起主要作用。(5)从低温(5 K)到高温(865 K)二维电子气迁移率从3836 cm2/Vs降低到73.8cm2/Vs,载流子浓度从1.2×1013/cm2升高到9.2×1013/cm2。

InAs_GaSb超晶格中波焦平面材料的分子束外延技术

InAs_GaSb超晶格中波焦平面材料的分子束外延技术

第３０卷第５期

２０１１年１０月红外与毫米波学报

Ｊ．ＩｎｆｒａｒｅｄＭｉｌｌｉｍ．ＷａｖｅｓＶ０１．３０，Ｎｏ．５

Ｏｃｔｏｂｅｒ，２０１１

文章编号：１００１—９０１４（２０１１）０５—０４０６—０４

ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ超晶格中波焦平面材料的

分子束外延技术

徐庆庆，陈建新，周易，李天兴，吕翔，何力

（中国科学院上海技术物理研究所中国科学院红外成像材料与器件重点实验室，上海２０００８３）

摘要：报道了ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ超晶格中波材料的分子束外廷生长技术研究．通过改变ＧａＳｂ衬底上分子束外延ＩｎＡｓ／

ＧａＳｂ超品格材料的衬底温度，以及界面的优化等，改善超晶格材料的表面形貌和晶格失配，获得了晶格失配Ａａ／ａ

＝１．５×１０一，原子级平整表面的ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ超晶格材料，材料７７Ｋ截止波长为４．８７岬．

关键词：ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ；超晶格；分子束外延

中图分类号：ＴＮ２１３文献标识码：Ａ

Ｍｉｄ－ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｉｎｆｒａｒｅｄＩｎＡｓ／ＧａＳｂｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅｇｒｏｗｎ

ｂｙｍｏｌｅｃｕｌａｒｂｅａｍｅｐｉｔａｘｙ

ＸＵＱｉｎｇ—Ｑｉｎｇ，ＣＨＥＮＪｉａｎ—Ｘｉｎ，ＺＨＯＵＹｉ，ＬＩＴｉａｎ－Ｘｉｎｇ，ＬｖＸｉａｎｇ，ＨＥＬｉ

（Ｋｅｙ［ａｌｍｍｔｏｒｙｏｆｉｎｆｒａｒｅｄｉｍａｇｅｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄｄｅｖｉｃｅｓ，ＳｈａｎｇｈａｉＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｉｃａｌＰｈｙｓｉｃｓ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００８３，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｇｒｏｗｔｈｏｆｍｉｄ－ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｉｎｆｒａｒｅｄＩｎＡｓ／ＧａＳｂｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅｏｎＧａＳｂｓｕｂｓｔｒａｔｅｓｂｙｍｏｌｅｃｕｌａｒｂｅａｍｅｐｉｔａｘｙ（ＭＢＥ）ｗａｓｓｔｕｄｉｅｄ．Ｗｅｏｐｔｉｍｉｚｅｄｔｈｅｓｕｂｓｔｒａｔｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｉｎｔｅｒｆａｃｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｔｏｏｂｔａｉｎｈｉ【ｇｈｑｕａｌｉｔｙｍａｔｅｒｉａｌ．Ｔｈｅ

界面处理对AlGaNGaNMIS￣HEMTs器件动态特性的影响

界面处理对AlGaNGaNMIS￣HEMTs器件动态特性的影响

第４０卷　第７期２０１９年７月发　光　学　报ＣＨＩＮＥＳＥＪＯＵＲＮＡＬＯＦＬＵＭＩＮＥＳＣＥＮＣＥＶｏｌ􀆰４０Ｎｏ􀆰７

Ｊｕｌｙꎬ２０１９

文章编号:１０００￣７０３２(２０１９)０７￣０９１５￣０７

界面处理对ＡｌＧａＮ/ＧａＮＭＩＳ￣ＨＥＭＴｓ器件动态特性的影响

韩　军１ꎬ赵佳豪１ꎬ赵　杰１ꎬ２ꎬ邢艳辉１∗ꎬ曹　旭１ꎬ

付　凯２ꎬ宋　亮２ꎬ邓旭光２ꎬ张宝顺２

(１.北京工业大学信息学部光电子技术省部共建教育部重点实验室ꎬ北京　１００１２４ꎻ２.中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所纳米器件与应用重点实验室ꎬ江苏苏州　２１５１２３)

摘要:研究不同界面处理对ＡｌＧａＮ/ＧａＮ金属￣绝缘层￣半导体(ＭＩＳ)结构的高电子迁移率晶体管(ＨＥＭＴ)器件性能的影响ꎮ采用Ｎ２和ＮＨ３等离子体对器件界面预处理ꎬ实验结果表明ꎬＮ２等离子体预处理能够减小器件的电流崩塌ꎬ通过对Ｎ２等离子体预处理的时间优化ꎬ发现预处理时间１０ｍｉｎ能够较好地提高器件的动态特性ꎬ３０ｍｉｎ时动态性能下降ꎮ进一步引入ＡｌＮ作为栅介质插入层并经过高温热退火后能够有效提高器件的动态性能ꎬ将器件的阈值回滞从４１１ｍＶ减小至１１１ｍＶꎬ动态测试表明ꎬ在９００Ｖ关态应力下ꎬ器件的电流崩塌因子从４２.０４减小至４.７６ꎮ

关　键　词:电流崩塌ꎻＡｌＮ栅介质插入层ꎻ界面处理ꎻＡｌＧａＮ/ＧａＮ高电子迁移率晶体管中图分类号:ＴＮ３８６.２ 文献标识码:Ａ ＤＯＩ:１０.３７８８/ｆｇｘｂ２０１９４００７.０９１５

ＩｍｐａｃｔｏｆＩｎｔｅｒｆａｃｅＴｒｅａｔｍｅｎｔｏｎ

ＤｙｎａｍｉｃＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆＡｌＧａＮ/ＧａＮＭＩＳ￣ＨＥＭＴｓ

ＨＡＮＪｕｎ１ꎬＺＨＡＯＪｉａ￣ｈａｏ１ꎬＺＨＡＯＪｉｅ１ꎬ２ꎬＸＩＮＧＹａｎ￣ｈｕｉ１∗ꎬＣＡＯＸｕ１ꎬ

ＦＵＫａｉ２ꎬＳＯＮＧＬｉａｎｇ２ꎬＤＥＮＧＸｕ￣ｇｕａｎｇ２ꎬＺＨＡＮＧＢａｏ￣ｓｈｕｎ２

(１.ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＯｐｔｏ￣ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎꎬＢｅｉｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＢｅｉｊｉｎｇ１００１２４ꎬＣｈｉｎａꎻ２.ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＮａｎｏＤｅｖｉｃｅｓａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓꎬＳｕｚｈｏｕＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＮａｎｏ￣ｔｅｃｈａｎｄＮａｎｏ￣ｂｉｏｎｉｃｓꎬＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓꎬＳｕｚｈｏｕ２１５１２３ꎬＣｈｉｎａ)∗ＣｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇＡｕｔｈｏｒꎬＥ￣ｍａｉｌ:ｘｉｎｇｙａｎｈｕｉ＠ｂｊｕｔ.ｅｄｕ.ｃｎ

基于电导法的GaNAIGaN HEMT界面态分析

基于电导法的GaNAIGaN HEMT界面态分析

基于电导法的GaNAIGaN HEMT界面态分析

摘要:本文通过I-V法测试得到25-200℃范围内GaN/AlGaN

HEMT器件直流特性随温度的退化情况,同时通过C-V法测试了器件在25-100℃范围内电容、电导随频率、温度变化的特性。经电导法分析发现器件界面处存在高密度陷阱态进一步分析认为,高密度界面陷阱态是引起器件高温特性退化的原因。

关键词:GaN/AlGaN HEMT 界面态 电导法 退化

1 引言

AlGaN/GaN HEMT禁带宽度大,击穿电场高、2DEG浓度高的特点使其广泛应用于高温、高压以及高频大功率等领域[1]。然而大量实验发现器件特性随温度的升高会发生不同程度的退化,严重影响器件优良特性的发挥。由于器件有源区生长在不同衬底材料(蓝宝石、SiC、Si等)上,且GaN材料与这些衬底材料之间存在严重晶格失配现象,这使器件异质结界面处或器件表面存在大量高密度缺陷[2]。常用电导法表征器件缺陷。

本文通过I-V法测试了器件直流特性随温度的变化关系,同时应用C-V法测量了器件电容、电导随频率、温度的变化关系,采用异质结界面态模型,通过电导法提取了器件异质结处陷阱态密度和时间常数。 2 实验与测试

实验所用的器件结构为标准工艺制造。首先,在蓝宝石衬底上生长一层20nm的ALN成核层,再用MOCVD的方法生长3μm后的GaN缓冲层,然后,接着生长一层25nm厚,Al组分为30%的AlGaN势垒层。源漏欧姆接触采用Ti/Al/Ni/Au(15/220/40/50nm)四层金属,并在900℃下退火1min。肖特基接触采用Ni/Au(20/150nm),接触面积为12360μm2。

首先进行器件I-V测试,应用HP4155B精密半导体参数测试仪在Cascade探针台测上对器件进行直流测试。为了避免光照和外部环境温度的影响,加热装着和器件测试设备在一个封闭的暗场中进行。将探针台温度从25℃升温到200℃,每隔25℃测试一次器件直流特性。为保证器件温度与探针台温度同步,在探针台温度升至测试温度点后,稳定10min,再对器件进行测试。然后,应用HP4294A高精度低频阻抗分析仪测试器件测试25℃～100℃温度范围内的电容、电导,测量时,选用并联模式,测量频率范围为100kHz～5MHz,考虑到寄生电容的影响,每次进行频率测量时,都进行开路短路校正。