W波段InAlN MOS-HEMT材料制备及物性研究

In W-band InAlN/GaN HEMT devices, the gate length is shrunk to tens of nanometers. In order to restrain the short channel effect and gate leakage current in the scaling-down devices, it is needed to introduce a AlGaN or InGaN back barrier, to thin the barrier layer to sub-10nm, and adopt a MIS-type gate structure. The high frequency characteristics not only depend on a reasonable layered-structure and small dimensions of the heterojunctions, but also show high sensitivity to material defects and traps, leading to great challenges to material growth and insulator deposition. It is proposed to grow InAlN/GaN heterojunctions by pulsed MOCVD method which is efficient in promoting the atom incorporation and two-dimensional layer-by-layer growth mode in the growth of group-III nitride materials, to investigate the effect of a novel multiple AlGaN back barrier structure on the growth and material property of InAlN/GaN heterojunctions, and to figure it out how the surface insulator works on the surface state and transport property of the heterojunction materials, and on the gate leakage and transient property of the HEMT devices. The goal is to realize the InAlN/GaN heterojunctions suitable for W-band MOS-HEMT devices, which features a sub-10nm distance between gate and channel, a electron mobility not less than 1400cm2/Vs at room temperature and 400cm2/Vs at 600K, and a reverse leakage of MIS capacitance not higher than 1 mA/cm2.

W波段InAlN/GaN HEMT器件中，栅长减小到几十纳米，为了使器件等比例缩小，同时抑制短沟道效应和栅漏电，InAlN/GaN异质结材料结构需要引入AlGaN或InGaN背势垒结构，将势垒层减薄到10nm以下，并采用MIS栅结构。不仅材料尺寸和结构要合理，频率性能还与材料缺陷和陷阱态密切相关，对材料和介质制备提出很高的要求。本项目将采用我们提出的增强氮化物材料的原子结合和二维生长模式的脉冲MOCVD方法实现高质量InAlN势垒层的生长，探索新型复合AlGaN背势垒结构对InAlN/GaN异质结生长和物性的影响机理，研究表面介质对材料的表面状态、输运性质和器件的栅漏电、瞬态特性等的影响机理，最终获得栅沟距离（即介质和势垒层总厚度）低于10nm、室温和600K迁移率分别高于1400和400cm2/Vs、MIS电容反向漏电流低于1mA/cm2、适用于W波段的InAlN MOS-HEMT材料。

本项目是在氮化物半导体以AlGaN/GaN异质结为主要结构显示了强大的微波功率放大能力，InAlN/GaN异质结因为高频应用潜力巨大而快速发展的国际研究态势下获得资助开始研究的。针对高频功率氮化物高电子迁移率晶体管（HEMT）材料所要求的低缓冲层漏电（削弱短沟道效应）、高载流子浓度和高迁移率（提供高电流）、低栅漏电（提高击穿电压）等要求，以及项目组的前期研究积累，本项目提出并开展了AlGaN复合背势垒缓冲层生长和结构优化、脉冲金属有机物化学气相淀积（MOCVD）方法生长高性能InAlN/GaN异质结、表面介质对InAlN/GaN 异质结材料性能的影响等研究，获得了预期的研究结果。InAlN/GaN异质结势垒层厚度为7~18 nm时迁移率>1400 cm2/Vs；实现了低漏电高结晶质量的复合AlGaN 背势垒结构，基于该背势垒的 InAlN/GaN异质结在300–573 K变温霍尔测试中具有稳定的二维电子气（2DEG）密度，573 K迁移率达493cm2/Vs。在InAlN/GaN异质结构表面采用原子层淀积（ALD）法淀积5nm的Al2O3和HfO2，发现高K介质显著提高了2DEG密度，而对方块电阻和迁移率的影响很微弱；HfO2改善表面形貌和提高电学特性的效果更显著；势垒层越薄，高K介质对其电学特性的提高越显著。表面电势和异质结能带结构的变化是高K介质提高InAlN/GaN异质结的2DEG电荷密度的主要因素。同时，开展了若干相关研究，获得了高输运特性InGaN沟道异质结材料，室温霍尔迁移率1681 cm2/Vs，刷新了InGaN沟道异质结的迁移率记录；建立了AlInGaN/GaN异质结中二维电子气受到的四元合金无序散射的物理模型，揭示了近年来AlInGaN/GaN HEMT迁移率大幅提高的原因；改进了GaN HEMT常规的三端击穿表征方法，可获得缓冲层和栅极-漏极泄漏电流，等等。项目研究成果将对氮化物高频功率器件的研究提供材料和物理机理上的有力支持。