行业 | 南卡罗来纳大学/加州大学基于AlN单晶衬底实现创纪录品质因子AlGaN异质结

译自原文
High figure of merit extreme bandgap Al_0.87Ga_0.13N-Al_0.64Ga_0.36N heterostructures over bulk AlN substrates

原文作者
Kamal Hussain, Abdullah Mamun, Richard Floyd, Md Didarul Alam, Michael E. Liao, Kenny Huynh, Yekan Wang, Mark Goorsky, MVS Chandrashekhar, Grigory Simin, and Asif Khan（南卡罗来纳大学、加州大学洛杉矶分校）

原文链接
https://doi.org/10.35848/1882-0786/acb487

项目资助方
美国海军研究办公室、美国陆军研究办公室

摘要
我们报道了在单晶AlN衬底上实现了高质量n-Al_0.87Ga_0.13N-A_0.64Ga_0.36N异质结构。对于这些赝晶异质结构，我们使用高分辨率的X射线和X射线形貌分析其穿透位错密度为7×10³ cm⁻²。采用反向组分渐变n⁺-Al_xGa_1-xN接触层，我们获得了线性欧姆接触，其比电阻为4.3 Ω mm，测量到的临界击穿电场 > 11 MV cm⁻¹，沟道电阻为2400 Ω sq⁻¹，计算出的Baliga的品质因数（Figure of Merit）为2.27 GW cm⁻²。据我们所知，这是报道的超宽带隙AlGaN异质结构中最高的值。

超宽禁带(Extreme Bandgap)半导体，如Al_xGa_1−xN (x>0.6，带隙能量E_G>4.88 eV) 是制备高功率、高压和高温电力电子器件的理想材料。它们的临界击穿场强对平面型器件而言与E_G^2.5成正比，从而Baliga优值(BFOM=击穿电压(V²_BR)/ 特定导通电阻(R_ON,SP))显著高于GaN。因此，全球诸多研发团队正在开发具有超宽禁带 Al_xGa_1−xN沟道和势垒层的高电子迁移率晶体管(HEMT)。然而，为了实现高BFOM，除了大击穿电压外，还需要同时具有低器件特定的导通电阻。该电阻由沟道电阻(R_CH)和接触电阻(R_C)组成。为了使超宽禁带 Al_xGa_1−xN沟道HEMT具有较低的R_ON,SP，需要二维电子气(2DEG)浓度>1×10¹³cm⁻²，这就要求势垒层Al_xGa_1−xN合金的铝组分大于80% (x>0.8)。对于这种组分，基于Al_xGa_1-xN-GaN HEMTs常用的欧姆金属，肖特基势垒高度很大，因此在异质结构的势垒层上形成表面欧姆接触变得极具挑战性。

形成超宽禁带 Al_xGa_1−xN异质结构低电阻欧姆接触的困难严重阻碍了大电流超宽禁带 AlGaN异质结构器件的开发。具有Al_xGa_1−xN(x>0.6)沟道层的HEMT或金属氧化物半导体HEMT(MOS-HEMT)的报道很少。Baca等人和Muhtadi等人曾报道了在AlN/蓝宝石模板上的这种器件。然而，它们的表面沉积欧姆接触是非线性的，接触电阻率远远超过100欧姆。在这样的限制下，峰值漏极电流仅为100 mA mm⁻¹或更低。此外，他们报道的击穿场强<3 MV cm⁻¹。这些主要受到金属闪络/掺杂势垒的过早击穿和短沟道效应的限制。最近，Khachariya等人报道了AlN衬底上Al_0.85Ga_0.15N-Al_0.6Ga_0.4N异质结构高达10 MV cm⁻¹的击穿场。然而，由于薄片电阻(R_SH)低至2500 Ω sq⁻¹，它们的峰值电流仅为~10 mA mm⁻¹，这表明具有高接触电阻。在本文中，我们报道了在AlN衬底上低压MOCVD沉积n-Al_0.87-Ga_0.13N-Al_0.64Ga_0.36N异质结构，其载流子密度为2DEG ~1.8×10¹³ cm⁻²。我们在异质结构上使用了反向组分渐变的n-Al_xGa_1−xN层，以及Zr/Al/Mo/Au金属堆叠，以实现与2DEG的线性表面欧姆接触，接触电阻率低至4.3 Ω mm。对于所报道的异质结构，使用平面金属氧化物半导体(MOS)二极管，我们还测量到了超过11 MV cm⁻¹的击穿场（受金属闪络限制）。从击穿数据和TLM研究中，我们评估超宽禁带 n-Al_0.87 Ga_0.13N-A_0.64Ga_0.36N异质结构的BFOM高达2.27 GW cm⁻²。据我们所知，这是迄今为止报道的超宽带隙Al_xGa_1−xN (x>0.6)沟道异质结构的最高值。

本文究的外延层结构沉积在400μm厚(0001)取向和0.5°斜切角的2英寸AlN单晶衬底上（Hexatech商用产品）。在外延之前，对该CMP抛光衬底进行表面预处理。随后，使用LP-MOCVD，在AlN衬底上沉积如图1(a)所示的外延层结构。以三甲基铝(TMAl)、三甲基镓(TMGa)和氨(NH₃)为前驱体，在1100℃和40 torr条件下进行了LP-MOCVD的生长。在异质结构的Al_0.87 Ga_0.13N势垒层中施主杂质[Si]~1×10¹⁹cm⁻³(由电容电压测定)。此外，如图1(a)所示，在势垒层顶部原位生长了一层反向组分渐变掺Si的Al_xGa_1−xN(“x”从0.87到0.40)层，以帮助形成欧姆接触。过去的研究中已经展示了使用这种结构使表面线性欧姆接触到n-Al_0.60Ga_0.40N层，接触电阻率低至1.7 Ω mm。

对于本研究的外延层，使用Veeco仪器对初始AlN衬底（表面预处理后）和对图1(a)生长的异质结构进行AFM表面分析。在图1(b)中，AlN衬底的2×2μm²扫描显示均匀平行步长，均方根(RMS)粗糙度为~0.089 nm。反向组分渐变的欧姆接触层保留了（衬底的）阶梯流形态，RMS值为0.18 nm[图1(c)]。平均台阶高度和台阶宽度分别为0.2 nm和78 nm，这与Rathkanthiwar等人的报道相似。扫描中也没有发现螺旋丘，对于AlGaN表面，螺旋丘与螺位错相关。从AFM扫描中得到的它们的密度可以近似作为螺型TDD。因此，在薄膜中没有发现螺旋丘表明c型螺位错数目明显较低。

图1：(a) AlN衬底上超宽禁带 n-Al_0.87Ga_0.13N-Al_0.65Ga_0.35N异质结构的涂层结构。(b)表面制备后AlN衬底的AFM扫描(2×2μm²)和(c)生长异质结构。

使用Philips X'Pert三轴衍射仪进行高分辨率X射线分析，以评估异质结构的成分/螺纹位错密度(TDD)。图2(a)的(0002)轴上耦合扫描显示了三个不同的峰- AlN, Al_0.87Ga_0.13N层(~140nm)和Al_0.64Ga_0.36N (~100 nm)沟道层。这些厚度是由X射线数据拟合得到的，并且与从生长速率缩放预期的厚度合理一致。此外，还观察到了与外延层陡峭且高质量界面性质一致的Pendellosung条纹。(1012)离轴ω扫描（此处未显示）分别给出了AlN衬底和Al_0.64Ga_0.36N沟道层的FWHM值为45.8和54.5 arcsec，这意味着TDD几乎没有增加。在图2(b)中，我们包含了图1(a)中异质结构(1015)反射的倒易空间映射(RSM)数据。AlN和AlGaN沟道层的中心是垂直排列的。然后从(1015) RSM图中层峰的Q_x位置确定了a晶格常数，得到了接近相同的值3.110 Å（AlN和Al_0.87Ga_0.13N）和3.109 Å（对于Al_0.64Ga_0.36N沟道）。这些数据表明，AlN衬底上的AlGaN异质结构的所有层都是完全处于应变状态。基于没有弛豫，我们得出结论，我们的异质结构的超宽禁带 Al_xGa_1−xN层与AlN衬底是赝晶的，这也意味着基本上不会产生额外的弛豫相关缺陷。利用图2(b)的RSM数据估计异质结构的势垒层和沟道层的铝组分分别为x=0.87和x=0.64。利用20 kV电子束（穿透深度~1.515μm）在扫描电子显微镜(SEM)下从室温阴极发光(CL)光谱中测算沟道层的成分作为波长的函数。在图2(c)中，CL光谱显示247 nm处的峰值位置对应于~4.96 eV，转化为铝组分~64%。

图2：(a)外延层的(0002)轴上ω-2θ耦合扫描。(b) 外延层的(1015) RSM。(c) 20 keV抽运光束下的RT-CL光谱

为了估计我们异质结构中TDD的数量，在AlN衬底上生长了一层~280 nm厚的Al_0.64Ga_0.36N层，使用的生长条件与本研究异质结构的沟道层相同。该层的厚度保持大于图1(a)异质结构中沟道层和势垒层的累积厚度。如图3(a)所示，(1124)不对称RSM表明，Al_0.64Ga_0.36N层即使在这个较大的厚度下仍然是赝晶的。横截面(1120)明场扫描透射电子显微镜图像(BF STEM)如图3(b)所示。在Al_0.64Ga_0.36N层之前，在AlN衬底上生长的~365 nm同质外延AlN层之间没有观察到再生长界面。此外，在横截面BF STEM图像中未观察到螺纹位错，这表明TDD较低。从图3(c)所示的(1124) X射线形貌图像中测量到的总TDD为~7×10³ cm⁻²。使用的X射线能量为8.05 keV。总位错密度包括螺纹位错、刃位错和混合位错，根据每种位错引起的畸变场形状。

图3：(a)在掠射出口几何形状中使用三轴光学测量的(1124) RSM。(b)同质外延AlN与Al_0.64Ga_0.36N层界面的横断面(1120) BF STEM图像。同外延AlN层与AlN衬底之间没有再生长界面。(c)在掠射几何中拍摄的X射线形貌图。总螺纹位错密度为~7×10³ cm⁻²。

然后，我们使用Lehighton射频映射系统测量了异质结构的2DEG沟道的R_SH值，平均R_SH值约为2400 Ω sq⁻¹。采用传输线法(TLM)测量R_SH和R_C，在表面镀上Zr/Al/Mo/Au欧姆触点。使用标准光刻，电子束金属化，然后在氮气环境中进行950°C和30秒的退火。欧姆接触退火采用快速热退火工艺。在电阻率测量之前，使用基于BCl₃的反应离子蚀刻工艺从TLM触点之间的作用区域蚀刻反向组分渐变的n-Al_xGa_1−xN层。随后，在TLM衬垫之间的区域也沉积了10 nm厚的SiO₂栅极绝缘体和Ni/Au栅极。MOS门控结构用于反向击穿场的测量。

在图4(a)和图4(b)中，我们将n-Al_0.87Ga_0.13N-Al_0.64Ga_0.36N异质结构的TLM数据与反向组分渐变的n-Al_xGa_1−xN欧姆接触地层层相结合。如图所示，欧姆接触是完全线性的，R_SH和R_C值分别为2400 Ω sq⁻¹和4.3 Ω mm。R_SH值与用Lehighton系统测得的值非常吻合。当接触间距为4 μm时，线性欧姆接触和低接触电阻率使电流可达0.21 A mm⁻¹。这些是超宽禁带 Al_xGa_1−xN (x>0.6)异质结构的最高报道值。

图4：n-Al_0.87Ga_0.13N-Al_0.64Ga_0.36N异质结构的TLM图:(a)电流与TLM接触间距的关系。(b)电阻与TLM触点间距的关系。

最后，采用MOS管结构，在L_GS=0.65μm的器件上测量了超宽禁带 n-Al_0.87Ga_0.13N-Al_0.64Ga_0.36N异质结构的双端击穿电压和栅极与源极之间的临界击穿场。MOS栅极(L_GS=0.65μm, LG=1.5μm, W=50μm)的反向和正向偏置电流如图5所示。SEM图像显示，所测结构的MOS栅-欧姆间距为0.65μm。我们保持短栅极-欧姆间距，以避免电场不均匀性，因为没有使用场板等额外处理来改善电场剖面。对于MOS栅极，在正向方向测量到约14 V的导通电压。在反偏置方向上，测量到的V_br为739 V，转化为11.37 MV cm⁻¹的击穿场。这种击穿电场受到栅极金属闪络的限制（见图5），我们的超宽禁带 Al_xGa_1−xN (x>0.6)层的固有临界击穿场强甚至可能更高。我们得出结论，在AlN衬底上高质量生长具有低位错的AlGaN异质结构能够实现极高的击穿场。这也与AlN衬底上APD器件的报告一致。比导通电阻(R_{ON, SP}=R_ON×W×(L_GS +L_T)为2.4×10⁻⁴ Ω cm²，其中R_ON为间隔0.65 μm时从TLM(宽度=200 μm)推断出的绝对导通电阻。因此，根据V_br和R_{ON, SP}，我们估计超宽禁带 n-Al_0.87Ga_0.13N-Al_0.64Ga_0.36N异质结构的Baliga优值为2.27 GW cm⁻²。这是迄今为止报道的超宽禁带 Al_xGa_1−xN异质结构的最高值。

图5：栅极-源间距0.65μm时MOS栅极的正向和反向偏置特性。插图展示了测试所用的器件和被击穿时的金属闪络。

综上所述，本文报道了在AlN衬底上的超宽禁带 n-Al_0.87Ga_0.13N-Al_0.64Ga_0.36N异质结构上的欧姆接触和MOS管的研究。电阻率为4.8 Ω mm的线性欧姆接触，击穿场为11 MV cm⁻¹，得到的BFOM为2.27 GW cm⁻²。这是迄今见诸报道的超宽禁带 Al_xGa_1−xN (x > 0.6)异质结构中的最高值。