GaN HEMT外延材料表征技術(shù)研究進(jìn)展

摘要

氮化鎵(GaN)作為第三代半導(dǎo)體材料的典型代表，具有高擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度和高熱導(dǎo)率 等優(yōu)異的物理特性，是制作高頻微波器件和大功率電力電子器件的理想材料。GaN外延材料的 質(zhì)量決定了高電子遷移率晶體管(HEMT)的性能，不同材料特征的表征需要不同的測(cè)量工具和 技術(shù)，進(jìn)而呈現(xiàn)器件性能的優(yōu)劣。綜述了GaN HEMT外延材料的表征技術(shù)，詳細(xì)介紹了幾種表 征技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景和近年來國內(nèi)外的相關(guān)研究進(jìn)展，簡(jiǎn)要總結(jié)了外延材料表征技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，為GaN HEMT外延層的材料生長和性能優(yōu)化提供了反饋和指導(dǎo)。

0 引言

基于氮化鎵(GaN)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的高電子遷移率 晶體管(HEMT)憑借大功率和高頻率等優(yōu)異特性被廣泛應(yīng)用于移動(dòng)通信和電力電子等領(lǐng)域。隨著應(yīng)用需求的不斷提升，對(duì)GaN HEMT的要求也 越來越高，這意味著研究人員不僅要在器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，還要在外延材料質(zhì)量方面做出努力，以提 高器件的性能和可靠性。

材料研究是器件研究的基礎(chǔ)，GaN HEMT的性 能在很大程度上取決于材料參數(shù)，如外延層的成分、摻雜和缺陷等，外延層的質(zhì)量直接決定器件的 性能和使用壽命。相比于第一 代半導(dǎo)體 硅(Si) ，GaN晶體質(zhì)量較差，缺陷更復(fù)雜，同時(shí)為了 確保具有競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格，GaN HEMT通常在異質(zhì)襯 底上制備，導(dǎo)致外延層的缺陷密度非常高。如果穿 透位錯(cuò)等缺陷與溝道內(nèi)的二維電子氣(2DEG)接 觸，或連接到襯底和柵金屬，會(huì)在器件內(nèi)產(chǎn)生泄漏電流，并損害器件的長期穩(wěn)定性。

一次完整的外延工藝流程主要包括襯底選擇、堆垛層設(shè)計(jì)和材料生長，對(duì)于生長得到的外延片，需要對(duì)其進(jìn)行多維度的測(cè)量和表征。而精確的表征 手段能夠充分獲取材料的物理特性，從而更有效地 指導(dǎo)和優(yōu)化外延層生長工藝，有利于提高材料的整 體質(zhì)量，保證外延層能夠用于器件制備，器件也能夠滿足實(shí)際的應(yīng)用需求。加入三代半交流群，加VX：tuoke08。Ⅲ族氮化物材料的表征主要涉及表面形貌、厚度、組分、晶體質(zhì)量、位錯(cuò)密 度、殘余應(yīng)力、摻雜濃度以及電學(xué)特性等多個(gè)方 面，這些材料性質(zhì)主要影響GaN HEMT的工藝穩(wěn) 定性、器件輸出性能以及可靠性等。因此，開展外延層的質(zhì)量評(píng)估工作具有重要意義。

本文綜述了GaN HEMT外延材料的表征技術(shù)，詳細(xì)介紹了幾種常見表征技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景和近年來國內(nèi)外的相關(guān)研究進(jìn)展，簡(jiǎn)要總結(jié)了外延材料表征技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，為GaN HEMT外延層的材料生 長和質(zhì)量優(yōu)化提供了反饋和指導(dǎo)。

1 GaN HEMT 外延材料表征技術(shù)

GaN HEMT外延層的質(zhì)量直接決定著器件的性 能和壽命，而對(duì)外延層表面形貌、材料缺陷以及電學(xué)性能的檢測(cè)分析有助于反饋和優(yōu)化外延生長工 藝。根據(jù)不同的研究需求選擇合適的表征技術(shù)，將 大大提升外延層的表征效率和精度。

1. 1表面形貌及膜厚表征技術(shù)

在GaN外延片制備的過程中，微米量級(jí)厚的GaN薄膜通常生長在異質(zhì)襯底上，由于晶格常數(shù) 和熱擴(kuò)散系數(shù)不匹配，GaN薄膜中存在大量穿透位錯(cuò)，會(huì)進(jìn)一步影響上層鋁鎵氮(AlGaN)薄膜晶 體質(zhì)量和界面2DEG性質(zhì)。隨著納米成像技術(shù)的發(fā) 展，精確測(cè)量材料表面形貌和薄膜厚度成為了 可能。

光學(xué)顯微鏡一般用于觀察外延片宏觀表面形 貌，例如大尺度表面起伏或者裂痕，但由于衍射極 限的限制，無法獲得納米尺度的材料形貌信息。原子力顯微鏡(AFM)也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品表面形貌的檢測(cè)，具有原子級(jí)分辨率，并且可以得到三維圖 像信息。2020年，C．G．Li等人利用AFM研究了 高溫GaN生長過程中V族原料與Ⅲ族原料的摩爾 比(V/Ⅲ比) 對(duì)氮(N)極性GaN外延層表面形 貌的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)V/Ⅲ比較低時(shí)，GaN表面出現(xiàn) 明顯的起伏。圖1給出了V/Ⅲ比分別為128和2 237時(shí)的表面形貌，可見表面起伏均沿著GaN ＜11 － 00＞方向，且高V/Ⅲ比條件得到的表面更平 整，在25μm×25μm掃描范圍內(nèi)的均方根粗糙度(Ｒq，ＲMS)僅為1. 7 nm。通過化學(xué)腐蝕，GaN外延 片中的位錯(cuò)將在表面以凹坑的形式暴露出來。凹坑 可以通過光學(xué) 顯微鏡、AFM、掃 描電 子顯微鏡(SEM)或透射電子顯微鏡(TEM) 進(jìn)行直接觀 測(cè)。凹坑的尺寸通常正比于伯格斯矢量的大小，因 此對(duì)材料表面凹坑的成像還可以用于判斷位錯(cuò)的類型。

GaN外延片通常由氮化鋁(AlN) 成核層、GaN緩沖層、AlGaN勢(shì)壘層以及GaN帽層等多層 薄膜組成，不同的薄膜厚度、組分、堆垛方案都將 影響GaN HEMT器件的最終性能。橢偏儀和紫外－可見分光光度計(jì)是兩種可以進(jìn)行薄膜厚度測(cè)量的儀器，均采用光學(xué)無損檢測(cè)技術(shù)，橢偏儀可以得到厚 度和介電常數(shù)，而紫外－可見分光光度計(jì)可以獲得樣品厚度，并且譜線形狀能在一定程度上反映出晶 體質(zhì)量的優(yōu)劣。對(duì)于由多層薄膜組成的GaN外 延片，通常利用聚焦離子束(FIB)刻蝕暴露出橫 截面，再利用SEM或者TEM對(duì)各層薄膜厚度和質(zhì)量進(jìn)行直接測(cè)量和成像。電子顯微技術(shù)突破了光學(xué) 衍射極限，具有納米級(jí)的空間分辨率，其中TEM比SEM具有更高的分辨能力。2018年，J． T．Chen等人利用低邊界熱阻AlN成核層獲得了高質(zhì)量的GaN/AlN/碳化硅(SiC)界面，初始外延生長 階段的缺陷被明顯抑制。外延層橫截面的TEM表 征結(jié)果如圖2所示，與傳統(tǒng)外延層結(jié)構(gòu)相比，低邊 界熱阻AlN成核層具有更高的結(jié)構(gòu)完整性，沒有 明顯晶界出現(xiàn)，GaN外延層與SiC襯底間的面內(nèi)晶 格失配因此得到了緩解。

對(duì)于GaN HEMT外延片的表面形貌表征技術(shù)，光學(xué)顯微鏡操作簡(jiǎn)單，無需真空環(huán)境，常用來進(jìn)行 外延片的初步觀測(cè)，檢查表面是否有污染和大尺度 裂痕。通過AFM和SEM得到的表面形貌圖像分辨 率更高，但成像區(qū)域范圍有限。對(duì)于外延片的厚度 表征技術(shù)，橢偏儀和紫外－可見分光光度計(jì)對(duì)樣品 無損傷、可重復(fù)性高，而結(jié)合FIB和TEM對(duì)外延 層橫截面進(jìn)行成像，各層薄膜質(zhì)量和厚度的測(cè)量結(jié) 果直觀、精確，但對(duì)樣品造成了破壞，技術(shù)復(fù)雜性較高。

1. 2缺陷、應(yīng)力及摻雜分析技術(shù)

異質(zhì)外延過程引入的高密度缺陷和殘余應(yīng)力嚴(yán)重影響GaN HEMT器件的性能，是制約其應(yīng)用的 主要瓶頸。在材料生長或器件工作過程中，缺陷能級(jí)態(tài)和應(yīng)力可以在外延層的不同位置產(chǎn)生，通常需 要在材料生長水平上對(duì)材料的適用性進(jìn)行無損評(píng) 估，以確保可靠的器件性能。光致發(fā)光(PL)、陰 極發(fā)光(CL)、 顯微拉 曼 光 譜、X射 線 衍 射(XＲD)、深能級(jí) 瞬 態(tài) 譜(DLTS)、深能級(jí) 光 譜(DLOS)、二次離子質(zhì)譜(SIMS)等許多技術(shù)已用于缺陷能級(jí)態(tài)、應(yīng)力以及摻雜成分的實(shí)驗(yàn)表征。

1. 2. 1 PL、CL和顯微拉曼光譜

PL、CL和顯微拉曼光譜是常用的表征GaN外 延材料缺陷和應(yīng)力的光學(xué)實(shí)驗(yàn)手段，杜成林等人在2020年對(duì)這幾種技術(shù)的物理原理及應(yīng)用進(jìn)行了較為詳細(xì)的介紹。最近，研究人員利用光學(xué)表 征技術(shù)對(duì)GaN外延材料進(jìn)行了一些新的研究。

2021年，A． Goyal等人報(bào)道了利用CL技 術(shù)，通 過 改 變電 子束的加 速電壓，實(shí)現(xiàn)了對(duì)AlGaN/GaN HEMT結(jié)構(gòu)各層中輻射缺陷的探測(cè)。根據(jù)電子束的聚焦情況和趨膚深度，在低加速電壓(＜1 kV) 時(shí)，利用CL技術(shù)可以分析勢(shì)壘層和帽層 中的缺陷，而加速電壓大于2 kV時(shí)，則可以分析 緩沖層中的缺陷，這為CL技術(shù)在GaN外延層分層 表征方面的應(yīng)用提供了新的思路。

2021年，K．Fujii等人對(duì)金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)生長的n型GaN進(jìn)行了PL探測(cè)， 發(fā)現(xiàn)光譜中2．2 eV附近的黃光強(qiáng)度與激發(fā)功率具 有特殊的依賴關(guān)系。通過與氫化物氣相外延生長的非摻雜GaN進(jìn)行對(duì)比研究，證明了這一現(xiàn)象來自 于氮位的碳(CN)缺陷處俘獲的施主－受主對(duì)的激子－激子湮滅，而CN缺陷與GaN層堆垛缺陷區(qū)域邊緣產(chǎn)生的位錯(cuò)有關(guān)。

GaN和AlGaN的晶格振動(dòng)狀態(tài)對(duì)晶體質(zhì)量、應(yīng)力和鋁(Al) 成分等非常敏感，因此拉曼光譜也被廣泛用于GaN外延層應(yīng)力的表征。目前采 用拉曼散射研究最多的是GaN外延層薄膜的拉曼 聲子頻移和雙軸應(yīng)力之間的關(guān)系，其中縱向光學(xué)聲子A1(LO)模式和高頻聲子E2(high)模式的拉曼頻 移與應(yīng)力呈線性關(guān)系。2020年，C． C． Lee等人利用拉曼光譜表征了GaN外延層的晶體質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)GaN與襯底間的晶格失配產(chǎn)生了拉伸應(yīng)力，使E2(high)模式發(fā)生了紅移。通過淀積AlN成核層，引入壓縮應(yīng)力后，E2(high)模式的紅移程度 明顯減小，表明該方法有效降低了GaN層的拉伸 應(yīng)力。同時(shí)，引入AlN成核層使E2(high)模式的半高全寬(FWHM)減小，表明GaN層的穿透位錯(cuò)密度也隨之降低。

1. 2. 2 XＲD

X射線的波長接近原子半徑，當(dāng)X射線以一定角度入射到晶體表面時(shí)能夠產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，對(duì)衍 射譜的分析可以研究GaN的結(jié)構(gòu)、內(nèi)部缺陷以及 應(yīng)力等。XＲD是一種非破壞性技術(shù)，具有對(duì)樣品無損傷、無污染、精度高等優(yōu)點(diǎn)，通常通過測(cè) 量布拉格衍射峰的FWHM來評(píng)價(jià)生長層的結(jié)晶質(zhì)量，具有越小FWHM值的外延層薄膜，其結(jié)晶質(zhì)量越高。根據(jù)布拉格公式、纖鋅礦結(jié)構(gòu)的面間距公式和維加德公式，結(jié)合XＲD測(cè)量結(jié)果，可以比較準(zhǔn)確地計(jì)算出晶格常數(shù)與氮化物合金中的組 分。研究人員還可以通過測(cè)量GaN層中對(duì)稱和 非對(duì)稱衍射圖樣的FWHM值來估計(jì)刃位錯(cuò)和螺位錯(cuò)的密度。

D．M．Zhao等人在2015年研究了GaN過渡 層對(duì)Si襯底上GaN外延層生長的影響，XＲD測(cè)量 結(jié)果表明，引入GaN過渡層并控制其生長條件，可以提高GaN外延層的結(jié)晶質(zhì)量，但過渡層的厚 度具有臨界值，超過臨界值GaN外延層質(zhì)量反而降低。通過光學(xué)顯微鏡對(duì)裂紋密度進(jìn)行觀測(cè)，進(jìn)一步驗(yàn)證了這一結(jié)論。隨后，他們?cè)?018年對(duì)比了 引入GaN過渡層和AlGaN緩沖層對(duì)Si襯底上GaN外延層質(zhì)量的影響，XＲD測(cè)量結(jié)果表明，引入AlGaN緩沖層得到的GaN外延層質(zhì)量更高，且顯微拉曼光譜表征結(jié)果顯示，引入AlGaN緩沖層使 后續(xù)GaN生長過程中形成了更大的壓縮應(yīng)力，因 此GaN外延層的殘余拉伸應(yīng)力減小。

2016年，Z．Y．He等人探究了低溫生長AlN插入層對(duì)AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)性質(zhì)的影響。對(duì)于 不同厚度t的AlN插入層，樣品(002)面XＲD的衍射角2θ掃描結(jié)果如圖3(a)所示，所有樣品GaN層和AlGaN層的峰位基本一致，通過擬合可以得到AlGaN勢(shì)壘層中Al組分為0. 25 ～ 0. 26，反 映了AlGaN勢(shì)壘層生長過程中樣品具有良好的均 勻性和穩(wěn)定性。圖3(b)給出了樣品(002)和(102)面XＲD搖擺曲線的FWHM隨AlN層厚度的變化，隨 著AlN層 厚 度的增 加，(002)面的FWHM變化不大，而 (102)面的FWHM明顯增 加，表明GaN層中的刃位錯(cuò)和混合位錯(cuò)密度顯著 增加，最終導(dǎo)致了霍爾測(cè)量中AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié) 構(gòu)電子遷移率的降低。要獲得好的晶體質(zhì)量，在外 延生長工藝中往往需要選取一個(gè)合適的參數(shù)組合，2020年，A．Chatterjee等人討論了低溫GaN緩沖 層生長參數(shù)對(duì)高溫GaN外延層晶體質(zhì)量的影響，并得到了生長溫度、退火時(shí)間和GaN緩沖層厚度的最優(yōu)值組合，同時(shí)結(jié)合PL和XＲD測(cè)量結(jié)果證 明了此時(shí)的GaN外延層具有更低的位錯(cuò)密度。

XＲD和TEM都是表征缺陷性質(zhì)和分布的首選技術(shù)。TEM是最直觀的表征手段，為外延層中存在缺陷提供了明確的證據(jù)，然而，通過TEM獲得的信 息是局部的，不能代表樣品的整體質(zhì)量，且樣品制備過程耗時(shí)較多，同時(shí)具有破壞性。相比而言，XＲD屬于一種無損光譜檢測(cè)技術(shù)，可以通過樣品衍 射峰的FWHM來快速評(píng)估外延層薄膜質(zhì)量，并能及時(shí)反饋給研究人員，以修正下一次的材料生長條件。

1. 2. 3 DLTS和DLOS

摻雜是改變半導(dǎo)體材料性質(zhì)的一個(gè)重要手段， 對(duì)于GaN來說，不同元素的摻雜可以實(shí)現(xiàn)n型GaN或p型GaN，以應(yīng)用于不用的場(chǎng)景。然而，摻 雜也會(huì)使材料內(nèi)部出現(xiàn)新的缺陷，或使固有缺陷的 性質(zhì)發(fā)生變化。DLTS和DLOS是表征缺陷能級(jí)位 置、密度及俘獲截面的一種技術(shù)，通過監(jiān)控陷阱內(nèi) 載流子的熱激勵(lì)或光激勵(lì)輻射，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)整個(gè)GaN帶隙內(nèi)深能級(jí)缺陷的定量表征。DLTS可以探 測(cè)導(dǎo)帶底下方或價(jià)帶頂上方1 eV范圍內(nèi)的陷阱能級(jí)，是一種具有很高檢測(cè)靈敏度的實(shí)驗(yàn)方法， 而DLOS可以探測(cè)GaN帶隙內(nèi)DLTS無法探測(cè)的深能級(jí)陷阱態(tài)，與DLTS形成互補(bǔ)。

2013年到2015年，Z．Zhang等人分別研究 了高能質(zhì)子輻射對(duì)n型GaN層、p型GaN層內(nèi)陷阱的影響，以及這些陷阱隨退火溫度的變化行為。結(jié) 合DLTS和DLOS的測(cè)量，輻射前后陷阱的能級(jí)位置和密度得以確定，不同陷阱對(duì)輻射劑量和退火溫度的反應(yīng)不同，表明其物理機(jī)制也各不相同。H． Y． Wang等人于2020年研究了不同碳(C)摻雜濃 度對(duì)Si襯底GaN層內(nèi)電子俘獲行為的影響，DLTS實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，高C摻雜濃度的樣品在整個(gè)正向偏 壓范圍內(nèi)表現(xiàn)出較高的電子陷阱密度，來源于缺陷 與缺陷帶的電荷交換，而低C摻雜濃度的樣品在低 偏壓下出現(xiàn)電子陷阱，在高偏壓下出現(xiàn)空穴陷阱， 這是由缺陷與價(jià)帶交換電荷引起的。

2020年，S．Yang等人利用DLTS技術(shù)表征 了p型GaN層內(nèi)的陷阱態(tài)，這些陷阱往往作為載 流子俘獲中心，影響器件的性能。圖4(a)給出 了在不同填充脈沖柵極偏壓Vp下的DLTS測(cè)量結(jié) 果，縱坐標(biāo)CDLTS表示p型GaN的柵電容。當(dāng)Vp為正值時(shí)，360 K左右的負(fù)峰對(duì)應(yīng)電子陷阱態(tài)，隨著 更多的電子從2DEG溝道注入p型GaN層并被空間電荷 區(qū) 俘獲，峰 值 振 幅 增 大。Vp為負(fù) 值時(shí)，340 K處的正峰揭示了p型GaN層中的空穴陷阱 態(tài)。假設(shè)俘獲截面σ與溫度T無關(guān)，從Arrhenius圖的斜率可以推導(dǎo)出電子和空穴陷阱的激活能ET分別為導(dǎo)帶底能級(jí)EC下方0. 85 eV和價(jià)帶頂能級(jí)EV上方0. 49 eV。從Arrhenius圖的線性截距可以得 到 電 子和 空 穴 陷 阱的俘獲截 面 分 別為σn = 1×10-15cm2和σp = 1 × 10-19cm2，如圖4(b)所示，其中τ為發(fā)射時(shí)間常數(shù)。電子陷阱可能來源于間隙位N或間隙位鎵，而空穴陷阱可能來源于N空位或相關(guān)配合物。

1. 2. 4 SIMS

SIMS是通過分析初級(jí)離子入射樣品后濺射產(chǎn)生的二次離子而獲取材料信息的一種質(zhì)譜技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)GaN外延層摻雜濃度的測(cè)量。2018年，A．Lardeau-Falcy等人研究了退火對(duì)Si襯底GaN層中摻雜的鎂(Mg)原子再分布的影響。SIMS測(cè)量結(jié)果表明，Mg原子濃度對(duì)其擴(kuò)散 行為有強(qiáng)烈的影響，在1018cm-3或更低的濃度范圍 內(nèi)，退火到1100 ℃后，Mg原子的分布沒有改變。

在1019cm-3或更高的濃度范圍內(nèi)，退火導(dǎo)致Mg原子在［0001］ 方向上快速擴(kuò)散，并在GaN/封蓋層 界面處形成Mg原子陷阱。2019年，N．Dharmarasu等人采用不同C摻雜濃度nC的GaN緩沖層，在標(biāo)準(zhǔn)SiC襯底上生長了AlGaN/GaN外延結(jié)構(gòu)，并研究了不同nC對(duì)器件電學(xué)性能的影響。他們通過 調(diào)節(jié)不同的生長條件來調(diào)節(jié)C摻雜情況，并通過SIMS測(cè)量樣品表面下方不同深度D對(duì)應(yīng)的nC，結(jié) 果如圖5所示(圖中1 mbar = 100 Pa) ，通過改變GaN緩沖層的生長條件，實(shí)現(xiàn)了濃度為3×1018cm-3的C摻雜。nC的提升使器件緩沖層泄漏電流和關(guān)態(tài) 擊穿電壓得到了顯著改善，但電流崩塌也有所增加。

2020年，Y． X． Zhang等人結(jié) 合SIMS和DLTS兩種測(cè)量技術(shù)，研究了MOCVD生長的GaN層中鐵(Fe)原子的非故意摻雜來源。研究發(fā)現(xiàn)，晶圓的溶液清洗過程會(huì)在生長界面引入顯著的Fe污染，并緩慢地進(jìn)入GaN外延層，從而導(dǎo)致Fe濃 度高達(dá)1017cm-3。此外，在生長過程中，樣品基座中的Fe雜質(zhì)也會(huì)進(jìn)入GaN外延層，形成導(dǎo)帶底下 方0. 57 eV的缺陷能級(jí)。當(dāng)采用替代的清洗工藝，并且基座表面被襯底完全覆蓋時(shí)，F(xiàn)e摻雜水平可以被顯著地抑制兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上。同年，V． N． Popok等人研究了AlGaN層厚度對(duì)AlGaN/GaN界面處2DEG性質(zhì)的影響，結(jié)果表明，厚度小于6～7 nm的AlGaN層會(huì)明顯受到表面氧化的影響，其成分和晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致界面極化場(chǎng)分布不均勻性，進(jìn)而影響了2DEG的濃度和遷移率。其 中，SIMS的測(cè)量結(jié)果既證明了AlGaN層表面氧的出現(xiàn)，又通過監(jiān)控Al的濃度變化實(shí)現(xiàn)了對(duì)AlGaN層厚度的測(cè)量。

1. 3電學(xué)性質(zhì)測(cè)量技術(shù)

GaN外延片的電學(xué)參數(shù)主要包括載流子面密 度ns、載流子遷移率μ以及方塊電阻Ｒ□，這些參 數(shù)直接決定了HEMT器件的輸出性能，同時(shí)掌握這些參數(shù)的測(cè)量技術(shù)對(duì)于GaN外延生長的反饋優(yōu) 化也具有重要意義?；魻栃?yīng)測(cè)試儀可以對(duì)樣品的 電學(xué)特性進(jìn)行分析。

E．C．H．Kyle等人在2014年研究了GaN外延 層的μ對(duì)生長溫度和穿透位錯(cuò)密度的依賴關(guān)系，通 過使用輸運(yùn)方程和電荷平衡方程擬合μ和ns隨溫 度變化的霍爾測(cè)量結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了對(duì)GaN薄膜質(zhì)量的定量表征。2015年，J． Lehmann等人研究了 外延工藝和氟(F) 基Si3N4刻蝕對(duì)GaN HEMT的2DEG性能的影響，通過霍爾效應(yīng)測(cè)量Ｒ□、μ和ns，證明了位于AlGaN/GaN界面的F缺陷會(huì)導(dǎo)致μ和ns的嚴(yán)重惡化，氯基刻蝕去除F致缺陷對(duì)μ的提升有積極影響。此外，2 nm厚的AlN間隔層還 可以有效提高ns。2016年，K．Prasertsuk等人在藍(lán)寶石襯底上生長了N極性GaN/AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)，并對(duì)其2DEG的性質(zhì)進(jìn)行了霍爾效應(yīng)測(cè)量。在室溫下，該異質(zhì)結(jié)的ns和μ分別為1. 4×1013cm-2和1 250 cm2/(V·s)。異質(zhì)結(jié)的遷移率隨溫度的降 低而單調(diào)增加，在17 K時(shí)達(dá)到3 050 cm2/(V·s) 的飽和值，如圖6所示，而對(duì)于GaN外延層，在低溫下電離雜質(zhì)占主導(dǎo)地位，因此遷移率隨著溫度的降低而降低。

2017年，M． Horita等人對(duì)低摻雜濃度的n型和p型GaN進(jìn)行了霍爾效應(yīng)測(cè)量。對(duì)于n型GaN，其電子遷移率在高溫和低溫時(shí)分別受到光學(xué) 聲子散射和電離雜質(zhì)散射的影響。對(duì)于p型GaN，施主濃度為3. 2×1016cm-3，300 K時(shí)的空穴遷移率為31 cm2/(V·s)。同年，I．Nifa等人開發(fā)了一個(gè)新的霍爾效應(yīng)測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)AlGaN/AlN/GaN異質(zhì)結(jié)2DEG的性質(zhì)進(jìn)行了測(cè)量，他們利用帶有永磁 體的探針系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)200或300 mm晶圓的整 體測(cè)量，并能精確獲取ns和μ的信息。基于此系 統(tǒng)，他們?cè)?019年對(duì)Al0. 25Ga0. 75N/AlN/GaN異質(zhì)結(jié)2DEG的輸運(yùn)性質(zhì)進(jìn)行了研究，通過對(duì)比常 開型器件在高偏壓下的霍爾效應(yīng)測(cè)量和經(jīng)典C-V測(cè) 量結(jié)果，證明在AlGaN層上界面形成了導(dǎo)電通道，致使μ發(fā)生退化。2020年，D．G． Zhang等人通 過提高AlN成核層表面平整度，在SiC襯底上實(shí)現(xiàn) 了厚度僅為250 nm的高質(zhì)量GaN外延層，其XＲD測(cè)量結(jié)果顯示(0002)和(101 － 2)面搖擺曲 線的FWHM分 別為81″和209″，對(duì) 于生 長的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)，通過霍爾測(cè)量得到其2DEG的室溫遷移率高達(dá)2 238 cm2/(V·s)。

GaN外延層表面形貌、材料質(zhì)量以及電學(xué)性 能的評(píng)估分析可以通過不同的技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)將本節(jié)介紹的幾種常見的外延材料表征技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要 總結(jié)，如表1所示。在GaN外延材料的表征實(shí)驗(yàn) 中，研究人員應(yīng)綜合考慮實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，選 擇合適的技術(shù)來開展研究。同時(shí)，不同技術(shù)的結(jié)合 也有助于獲得更加真實(shí)可靠的結(jié)果，為接下來GaN外延材料的質(zhì)量優(yōu)化工作提供有力指導(dǎo)。

GaN外延層質(zhì)量的優(yōu)劣直接關(guān)系到HEMT器 件的性能，各種表征技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)外延層質(zhì)量的多 角度測(cè)量和評(píng)估，如何抑制甚至避免缺陷和應(yīng)力的 產(chǎn)生，優(yōu)化外延層整體的材料質(zhì)量和性能就成了研究人員需要考慮的問題。在薄膜生長過程中，腔內(nèi) 溫度和壓強(qiáng)等基本參數(shù)會(huì)影響外延層的性質(zhì)，此外，原子摻雜和堆垛方案不同也會(huì)對(duì)外延層的材 料質(zhì)量和電學(xué)性能產(chǎn)生影響。通過對(duì)以上條件 的優(yōu)化，高質(zhì)量或滿足特殊器件性能需求的外延層 將得以實(shí)現(xiàn)。

2 GaN HEMT 外延材料表征技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

不論是科學(xué)研究還是工廠生產(chǎn)，外延材料的質(zhì)量表征都是不可或缺的一個(gè)環(huán)節(jié)。隨著GaN HEMT行業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景的拓展，人們對(duì)器件性能的需求進(jìn)一步提升，對(duì)外延材料質(zhì)量的要求也越來越高，表征技術(shù)也隨之不斷發(fā)展。從各種表征技術(shù)自身能力開發(fā)層面看，提升儀器設(shè)備探測(cè)的可靠性、精度和極 限，依然是未來的發(fā)展趨勢(shì)，例如，繼續(xù)提升PL或顯微拉曼光譜的橫向和縱向分辨能力，提升SIMS對(duì)不同離子濃度的探測(cè)靈敏度等。此外，實(shí)現(xiàn)不同表征技術(shù)的集成，提高表征效率，也是設(shè) 備開發(fā)人員關(guān)注的方向。從大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化層面看， 基于光學(xué)方法的無損傷檢測(cè)技術(shù)對(duì)環(huán)境要求較低，表征效率更高，更適合應(yīng)用于生產(chǎn)線，是實(shí)現(xiàn)GaN外延材料質(zhì)量控制、成本節(jié)約以及工藝改進(jìn)的重要手段。未來還可以擴(kuò)展材料生長過程中原位表征技 術(shù)的種類，開發(fā)計(jì)算機(jī)分析程序或軟件，實(shí)現(xiàn)表征 結(jié)果反饋和生長參數(shù)調(diào)節(jié)的智能化。

3 結(jié)語

GaN 基高頻率、大功率的電子器件在移動(dòng)通信和電力電子等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用，以 MOCVD 為 主的 GaN 異質(zhì)襯底外延是當(dāng)前的主流制備技術(shù)。高質(zhì)量的外延層是實(shí)現(xiàn) GaN HEMT 器件應(yīng)用的關(guān)鍵基礎(chǔ)，因此，外延層的質(zhì)量評(píng)估和優(yōu)化，受到了 國內(nèi)外研究人員的高度重視。經(jīng)過多年的研究和發(fā) 展，具有高空間分辨率的 AFM、SEM 和 TEM 技 術(shù)，基于光譜和質(zhì)譜探測(cè)的 PL、CL、顯微拉曼光 譜、XＲD、DLTS、DLOS 和 SIMS 技術(shù)，以及基于霍爾效應(yīng)的電學(xué)測(cè)量技術(shù)等，被廣泛應(yīng)用于 GaN 外延層的表面形貌和厚度表征、缺陷和應(yīng)力探測(cè)、電學(xué)參數(shù)測(cè)量等多角度的質(zhì)量評(píng)估實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域。隨著 GaN HEMT 器件應(yīng)用場(chǎng)景的不斷拓展，對(duì)器件性能指標(biāo)的需求也在不斷提高，深入理解和掌握這些表 征技術(shù)的原理及應(yīng)用，對(duì)于提升外延層質(zhì)量評(píng)估的效率和精度，指導(dǎo)外延層的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要 意義。

審核編輯：湯梓紅