一种高可靠AlGaN/GaN异质结构设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及的是一种低弛豫、高可靠的AIGaN/GaN异质结构设计方法，属于半导 体异质结构材料与器件技术领域。
【背景技术】
[0002] GaN材料作为第S代宽禁带半导体材料的代表，在高溫微波大功率器件方面极具 应用优势。氮化物区别于其它化合物半导体材料的突出特性是具有很强的极化效应，运使 得常规AIGaN/GaN异质结构即使在未渗杂情况下，也可获得面密度高达1X10"cm%二 维电子气，比传统GaAs体系高一个量级。在此基础上进一步引入AlN插入层技术，即形成 AlGaN/AlN/GaN异质结构，不仅可W增强极化效应，提高二维电子气浓度，而且由于AlN对 合金无序散射的屏蔽作用，还可W显著提高二维电子气迁移率。
[0003] 近几年，随着GaN材料和器件工艺的不断成熟，微波功率器件性能获得了显著提 升，工程化应用进程也在持续推进，而GaNHEMT器件的长期可靠性成为了目前限制其大规 模应用的主要瓶颈，其中由应力引起的缺陷是导致器件失效的主要因素之一。与晶格匹配 的AlGaAs/GaAs肥MT异质结构不同，AlGaN/ (AlN) /GaN异质结构是一种歴配结构，AlN的 晶格常数比GaN小，运使得生长在GaN缓冲层上的AlGaN层存在张应变并随Al组分增大而 增大。一方面，由应变导致的压电极化可增强AIGaN/GaN界面的正极化电荷，有利于二维电 子气浓度的提高，另一方面，应变过大将导致晶格弛豫，由此引起的缺陷将导致器件性能和 可靠性下降，最为典型的即是由M口研究小组提出的逆压电效应。由于AlGaN势垒层本身 存在一定应变，在强的电场作用下，应变进一步增大并超过临界值，使得晶格弛豫并在栅脚 漏侧附近产生晶格缺陷或裂纹，从而导致器件性能退化甚至失效。目前，大量的工作集中于 如何从器件结构和工艺角度降低峰值电场W削弱逆压电效应的影响，如斜栅技术、场板技 术等。运不仅增大了工艺难度和控制难度，而且对器件的频率特性也产生一定影响，限制了 器件的高频应用。
【发明内容】
[0004] 本发明提出的是一种高可靠AIGaN/GaN异质结构设计方法，旨在针对现有技术存 在的上述缺陷，从材料结构设计层面进行根本改进，通过建立AlGaN/AlN/GaNHEMT异质结 构应变弛豫模型，并将该模型纳入到常规异质结能带和二维电子气面密度计算当中，针对 特定的二维电子气面密度目标设计值，得到最优的AlGaN势垒层Al组分X和AlN插入层厚 度cIaw参数，使得AlGaN/AlN/GaN异质结构势垒层弛豫度达到最低，减小高场作用下由逆压 电效应导致的材料应力，抑制缺陷产生，从而达到提高器件长期可靠性的目的，具有高晶格 质量、低弛豫度W及降低研究成本等优点。
[0005] 本发明的技术解决方案：一种高可靠AIGaN/GaN异质结构的设计方法，依次包括 如下步骤： a)在衬底（1)上依次生长成核层（2)，缓冲层（3)，沟道层（4)，A1N插入层（5)，AlGaN势 垒层（6)，在AlN/GaN界面形成二维电子气（7); b)当AlN插入层（5)厚度(Iaw=O,保持材料其它参数不变，改变AlGaN势垒层（6)中Al组分X(0. 1《X《0. 4)，生长一系列AlGaN/GaN异质结构材料，样本数量> 3 ;计算AlGaN 势垒层应变f= 0. 077X/3. 189,统计AlGaN势垒层应变f和二维电子气面密度实测结果n,; C)基于常规异质结能带和二维电子气面密度计算方法，对样本进行计算，调节AlGaN势垒层（6)的弛豫度R使计算的二维电子气面密度与实测结果相等，获得一组AlGaN势垒 层应变f和应变弛豫度R对应关系的数据[f,时（8);基于上述数据[f,时（8)，采用函 数曲线拟合法，建立WAlGaN势垒层应变f为自变量、应变弛豫度氏因变量的关系模 型Rstress讯（9); d) 当AlGaN势垒层（6)中Al组分X《0. 2,保持材料其它参数不变，改变AlN插入层 (5) 厚度cU(Onm《cU《1皿)，生长一系列AlGaN/AlN/GaN异质结构，样本数量> 3,统 计AlN插入层厚度、二维电子气面密度实测结果ng; e) 基于常规异质结能带和二维电子气面密度计算方法，对样本进行计算，调节 AlyGaiyN势垒层的弛豫度R使计算的二维电子气面密度与实测结果相等，获得一组AlN插 入层厚度cIaw和AlGaN势垒层弛豫度R'对应关系的数据[cUw，R'] (10);基于上述数据 化1N，R'] (10)，采用函数曲线拟合法，建立WAlN插入层厚度cU为自变量、AlGaN势垒 层相对弛豫度Rrelat…为因变量的关系模型RrelatlveWain) (11); f)当AlN插入层（5 )厚度cU〉〇时，计算AlGaN势垒层（6 )应变
，其中X为AlGaN势垒层Al组分，为势垒层相对弛豫度；由于AlGaN势垒层应变f为Al组分X和相对弛豫度Rrelative的函数，而Rrelative为AlN厚度dAlN的函数，所WAlGaN势 垒层应变弛豫度Rstress为Al组分X和AlN厚度cUn函数，即Rstress讯=Rstress(X，RrelatlJ= Rstress(X，dwN); g)AlGaN势垒层总弛豫度吃。,。1二AlGaN势垒层相对弛豫度R(cUJ+应变弛豫度 dwJ，将AlGaN势垒层总弛豫度RtDtgi纳入到常规异质结能带和二维电子气面密度 计算当中，计算不同Al组分X和AlN厚度cIaw的二维电子气面密度曲线，其中横坐标为AlN 插入层厚度dAw纵坐标为二维电子气面密度rvX为参量； h) 针对器件研制所需的二维电子气面密度目标设计值（12)，选择与该设计值水平线 相切的那条二维电子气面密度随AlN插入层厚度的变化曲线（13)，获得曲线（13)对应的 AlGaN势垒层Al组分X。，W及切点（14)的横坐标cIaw。，即为最优材料参数，此时材料结构的 弛豫度最低。
[0006] 本发明的有益效果：相对于现有技术而言具有W下优点： 1) 传统改善由逆压电效应导致的器件性能退化的问题大都从器件结构设计和工艺改 进出发，一方面会花费相当大的工艺成本进行工艺开发，另一方面，由于栅结构的改变和场 板技术的引入将增大器件的寄生效应，从而限制器件频率性能的进一步提升； 2) 在AlGaN/GaN材料结构和工艺不变的情况下，基于外部器件结构和工艺改进来提升 器件可靠性的空间有限； 3) 本发明是一种高可靠AlGaN/GaN异质结构设计方法，可从材料角度根本改善由逆压 电效应带来的可靠性问题，最大限度发挥器件的性能； 4)由于AlGaN势垒层的应力不仅与其厚度和Al组分相关，还受材料生长工艺的影响， 并且很难通过实验方法精确测试，因此基于实验方法降低材料的弛豫度难度也非常大，而 基于本发明中设计方法可W大大降低材料和器件工艺开发成本，避免大批量流片和测试造 成的浪费。
【附图说明】
[0007] 图1是常规AlGaN/AlN/GaN异质结构示意图； 图2是本发明中弛豫度RgtfM脯AlGaN势垒层应变f的变化关系模型示意图； 图3是本发明中弛豫度RfPbtiyJiAlN插入层厚度cUw的变化关系模型示意图； 图4是本发明中AlGaN/AlN/GaN异质结构二维电子气面密度ng随AlN插入层厚度dAW和Al组分X的变化关系示意图。
[0008] 图中的1是衬底，2是成核层，3是AlyGal-yN缓冲层，4是GaN沟道层，5是AlN插入 层，6是势垒层，7是二维电子气，8是数据[f,时，9是模型氏是数据[cIaw，R']， 11是模型Rubtu。化W)，12是二维电子气目标设计值，13是与二维电子气目标设计值12对 应水平线相切的龜键Iil曲线，14是切点。
【具体实施方式】
[0009] 下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0010] 如图1~4所示，一种高可靠AlGaN/GaN异质结构的设计方法，设计步骤依次包括如 下： a) 在衬底（1)上依次生长成核层（2)，缓冲层（3)，沟道层（4)，A1N插入层（5)，AlGaN势 垒层（6)，在AlN/GaN界面形成二维电子气（7); b) 当AlN插入层（5)厚度(Iaw=O,保持材料其它参数不变，改变AlGaN势垒层（6)中Al 组分X(0. 1《X《0. 4)，生长一系列AlGaN/GaN异质结构材料，样本数量> 3 ;计算AlGaN 势垒层应变f=〇. 077X/3. 189,统计AlGaN势垒层应变f和二维电子气面密度实测结果n,; C)基于常规异质结能带和二维电子气面密度计算方法，对样本进行计算，调节AlGaN势垒层（6)的弛豫度R使计算的二维电子气面密度与实测结果相等，获得一组AlGaN势垒 层应变f和应变弛豫度R对应关系的数据[f,时（8);基于上述数据[f,时（8)，采用函 数曲线拟合法，建立WAlGaN势垒层应变f为自变量、应变弛豫度氏因变量的关系模 型Rstress讯（9); d) 当AlGaN势垒层（6)中Al组分X《0. 2,保持材料其它参数不变，改变AlN插入层 (5)厚度cU(Onm《cU《1皿)，生长一系列AlGaN/AlN/GaN异质结构，样本数量> 3,统 计AlN插入层厚度、二维电子气面密度实测结果ng; e) 基于常规异质结能带和二维电子气面密度计算方法，对样本进行计算，调节 AlyGaiyN势垒层的弛豫度R使计算的二维电子气面密度与实测结果相等，获得一组AlN插 入层厚度cIaw和AlGaN势垒层弛豫度R'对应关系的数据[cUw，R'] (10);基于上述数据 化W，R'] (10)，采用函数曲线拟合法，建立WAlN插入层厚度CU为自变量、AlGaN势垒 层相对弛豫度Rrelat…为因变量的关系模型RrelatlveWain) (11); f) 当AlN插入层（5)厚度cU〉〇时，计算AlGaN势垒层（6)应变
，其中X为AlGaN势垒层Al组分，为势垒层相对弛豫度；由于AlGaN势垒