高击穿电压InAlN/AlGaN MOS-HEMT材料生长与器件制备研究

In spite of the distinct advantage in the operation frequency, the InAlN/GaN HEMT exhibits a low breakdown voltage due to the large gate leakage current caused by the defects on the thin InAlN barrier and GaN buffer breakdown, which can not meet the demand on output power density. To address this issue, this project will study on the novel InAlN/AlGaN MOS-HEMT, in which the conventional GaN channel is replaced by wider bandgap AlGaN to enhance the breakdown field of buffer layer, and MOS structure is used to reduce gate leakage current, thus improving the breakdown voltage of InAlN-based HEMT in whole. Firstly, high quality InAlN/AlGaN heterostructures will be achieved by grading the Al composition in AlGaN channel layer along with introducing AlGaN/AlN superlattices, surface-reaction-enhanced pulsed MOCVD growth technique, and AlN interfacial interlayer. Secondly, explore n+GaN MOCVD regrowth approach to realized low Ohmic contact in source and drain region of HEMT device, and investigate the effects of gate dielectrics on the transport properties of InAlN/AlGaN heterostructures as well as the gate leakage current of HEMT. The final goal is to demonstrate InAlN/AlGaN MOS-HEMT with high breakdown voltage.

InAlN/GaN HEMT器件在工作频率方面表现出明显优势，但其低的击穿电压仍不能满足输出功率需求。低的击穿电压主要由薄InAlN势垒层表面缺陷引起的栅漏电和GaN缓冲层击穿导致。针对该问题，本项目将开展新型InAlN/AlGaN MOS-HEMT研究，即采用具有更大禁带宽度的AlGaN代替常规GaN沟道来提高缓冲层击穿场强，和MOS结构来降低栅漏电，从而整体提高InAlN基HEMT击穿电压。首先，通过采用带有AlGaN/AlN超晶格的渐变Al组分生长方法、表面反应增强型脉冲式MOCVD技术、AlN界面插入层实现高质量InAlN/AlGaN异质结材料的生长。其次，探索实现HEMT源漏区低欧姆接触电阻的n+GaN MOCVD二次再生长技术，研究绝缘栅介质制备和对InAlN/AlGaN异质结输运特性和HEMT器件栅漏电的影响，最终研制出高击穿电压InAlN/AlGaN MOS-HEMT器件。

针对InAlN势垒层HEMT器件击穿电压低和高工作电压功率开关器件应用需求，本项目提出了InAlN/AlGaN MOS-HEMT研究，采用AlGaN代替GaN沟道提高缓冲层击穿场强，采用MOS结构代替肖特基降低栅漏电，从整体上提高InAlN基HEMT器件击穿电压。.本项目主要进行了高质量AlGaN沟道和InAlN势垒层生长、InAlN/AlGaN异质结输运特性提高、低欧姆接触制备、绝缘栅介质制备研究，系统解决和突破了材料生长方法、异质结材料结构、器件结构和工艺等关键瓶颈难题。.提出并实现了一种PMOCVD的低缺陷材料生长方法，该方法基于纳米尺度的材料横向生长机制，通过设置不同的源脉冲间隔，增强了吸附原子的扩散长度，弥补了生长温度巨大差异带来的影响，解决了InAlN材料生长难题。采用AlGaN/AlN超晶格结构，过滤了AlGaN材料生长中产生的位错缺陷，释放了累计的应变。研究发现限制InAlN/AlGaN异质结2DEG迁移率的主要散射机制是合金无序散射，提出了AlN/GaN/AlN复合结构界面插入层来屏蔽合金无序散射。为有效保护InAlN势垒层表面和实现低欧姆接触电阻，提出了一种低温氮气和高温氢气相结合的GaN帽层生长方法，避免了高温生长引起InAlN表面形貌恶化和异质结输运特性下降。采用氧等离子体处理InAlN表面和ALD淀积Al2O3相结合的方法，解决了耐高压介质层与InAlN势垒层界面问题，实现了具有出色表面和低界面态的绝缘栅介质制备。.基于上述创新，实现了不同组分InAlN/AlGaN异质结材料生长，Hall效应测试表明沟道Al组分5%的异质结室温2DEG面密度和迁移率分别为1.88×1013和511 cm2/Vs。研制出栅长为0.5 µm、栅漏间距为2.6µm的InAlN/AlGaN HEMT器件，输出电流为854 mA/mm，三端关态击穿电压为87V。制备的增强型InAlN/AlGaN MOS-HEMT击穿电压高达141V，阈值电压为1.55V，输出电流为254 mA/mm。.本项目研究表明，InAlN/AlGaN异质结把氮化物材料体系中晶格匹配的概念拓展到更高铝组分，拥有应变异质结构高面密度2DEG的优势。InAlN/AlGaN HEMT高的输出电流和击穿电压特性，在解决高频器件高电压工作需求方面提供了途径，在高结温高压功率开关器件应用方面非常有前景。