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1. 样品制备
  PEALD沉积ALN栅绝缘层对沟道2DEG特性有很大影响,所以本文对其进行了更深入地分析。采用蓝宝石衬底上的AlGaN/Gan外延材料,经过表面有机化学清洗、KOH溶液清洗、及低损伤NH3/N2等离子体表面预处理后,使用PEALD技术沉积10nm的AlN表面钝化层,沉积温度为300℃。另外,制备了3个对照样品:经过相同表面处理的AlGaN/GaN外延材料,无任何表面钝化层;AlGaN/GaN外延材料经过相同的表面处理后,利用ALD技术沉积10nm厚的Al2O3表面钝化层;AlGaN/GaN外延材料经过相同的表面处理后,利用PECVD技术沉积10nm厚的SiN表面钝化层。另外,为了消除薄膜沉积过程中热效应的影响,Al2O3和SiN的沉积温度也都设定在300℃。
 
2. GaN基M I S异质结构Ha ll 测试
  在室温下对四个样品进行了接触式Hall测试,测试结果如图1所示。三种表面钝化层材料都使异质结沟道载流子迁移率增大,有利于提高器件的输运特性,获得高跨导、高增益电子器件。钝化层材料还使异质结薄层电阻显著降低,从431Ω/sq减小到约380Ω/sq,材料方阻的降低非常有利于器件输出电流和功率密度的提高。但是不同的是,Al2O3钝化层在提高载流子迁移率的同时,2DEG面密度也有所提高,而AlN和SiN钝化层却导致2DEG面密度大幅降低。结合上文屮表面化学清洗和等离子体处理分析结果可以推断,TMA和H2O生长的Al2O3钝化层材料中-OH与异质结材料表面形成化学键,导致2DEG密度升高;而AlN和SiN沉积过程中,NH3作为氮源导致簿膜材料中含H,异质结沟道2DEG密度减小。AIN和SiN饨化层材料虽然导致了2DEG密度降低,但是与Al2O3钝化层对比,氮化物钝化层材料使沟道载流子迁移率大大提高,且三种材料钝化后沟道方阻相当,这样氮化物表面钝化的器件在保证大电流输出的同时,还能提供更高的器件跨导和增益。
表面钝化层对AlGaN/GaN异质结沟道2DEG的影响  
图1 表面钝化层对AlGaN/GaN异质结沟道2DEG的影响
  表面钝化层材料引起沟道载流子迁移率提高,是因为表面钝化使异质结表面态密度降低,对沟道的远程杂质散射作用减弱。而钝化层对沟道2DEG密度的影响,除了与异质结表面势变化相关,还可能与薄膜材料的应力引起的异质结极化电场变化有关系,接下来就采用拉曼测试研究了三种钝化层材料对异质结应力的影响。
 
3. GaN基MIS异质结构拉曼测试
表面钝化层对AlGaN/GaN/蓝宝石外延材料拉曼光谱的影响  
图2 表面钝化层对AlGaN/GaN/蓝宝石外延材料拉曼光谱的影响
  本文采用JY LabRam HR800拉曼测试系统研究了表面钝化层材料对异质结应力的影响。测试中采用波长为514nm的Ar+离子激光源,沿着垂直于样品表面的方向入射。无表面钝化、PEALD-AlN钝化、ALD-Al2O3钝化、及PECVD-SiN钝化异质结的拉曼光谱响应如图2所示。波数140cm -1 、570cm -1 、及740cm -1 附近的光谱响应分别对应于AlGaN势垒层的E2(low)、E2(high)、以及A1(LO)振动模,蓝宝石衬底的峰出现在418.1cm -1 ,而没有观察到379.4cm -1 处的蓝宝石峰和AlGaN的E1(TO)峰。表面钝化层材料对氮化物拉曼光谱响应频率影响不大,说明其对异质结外延层产生的应力很小,没有明显改变势垒层材料的晶格常数和极化电场。
AlGaN/GaN异质结拉曼光谱E2(high)模的洛伦兹拟合曲线  
图3 AlGaN/GaN异质结拉曼光谱E2(high)模的洛伦兹拟合曲线
  根据AlGaN势垒层E2(high)峰的频移研究了10nm表面钝化层对异质结产生的应力,测试数据的洛伦兹拟合结果如图3所示,未钝化异质结、AIN钝化异质结、Al2O3钝化异质结、SiN钝化异质结的E2(high)模振动频率分别为571.92cm -1 、572.61cm -1 、571.87cm -1 、572.02cm -1 。PEALD沉积AlN和PECVD沉积SiN表面钝化层使E(high)峰发生蓝移,即对势垒层材料产生了额外的张应力,将会引起2DEG密度增加;而ALD沉积Al2O3钝化层使拉曼谱发生红移,即产生了额外的压应力,引起2DEG密度减小。
  薄膜应力σ与拉曼谱频移△ω之间存在线性关系,
σ=K△ω      (1)
其中K是线性相关系数,Δω指AlGaN势垒层与GaN沟道层之间的E2(high)峰频移,而无应力的GaN材料E2(high)模峰值波数为567.6cm -1 。Wagner J-M等人通过第一性原理计算得到氮化物薄膜双轴应力与E2(high)频移之间的线性系数K值为2.4cm -1 ·GPa -1 。AlGaN势垒层在c面内的双轴应力是一致的,应力张量的所有分量应为:σxy=σyz=σzx=σzz=0,σxx=σyy≠0。σxx=σyy即为根据式(1)计算得到的应力值,可以通过下式由应力值得到c面内的压电极化电荷面密度Ppe,
P PE =2d 31 σ xx       (2)
其中d 31 是压电系数张量的分量,取为-1.36×10 - 1 6 C·cm - 2 ·Pa - 1 。表1给出了四种异质结材料的拉曼谱拟合峰、势垒层张应力大小、以及钝化层材料对压电极化效应和2DEG面密度的影响。无表面钝化的AlGaN层受到的张应力大小为1.8GPa,对2DEG面密度的贡献约为3.1×10 1 2 cm - 2 ;AlN和SiN钝化层对势垒层产生了0.288GPa和0.04GPa的张应力,使压电极化效应增强,导致2DEG密度分别增大4.9×10 11 cm -2 和7×10 10 cm -2 ,而Al2O3钝化层引入了0.021GPa的压应力,使压电极化效应减弱并导致2DEG密度减小4×10 10 cm -2
表1 表面钝化层对异质结应力、压电极化效应、及2DEG密度的影响
表面钝化层对异质结应力、压电极化效应、及2DEG密度的影响  
  拉曼谱分析结果表明表面钝化层材料对2DEG面密度的影响非常小,几乎可以忽略,与报道的减小10 12 cm -2 量级变化的实验结果不符,这是因为[105]中采用的钝化层材料很厚为120nm,而本研究中采用了薄钝化层材料进行研究,10nm表面钝化层对25nm势垒层材料产生的应力有限。结合Hall测试结果,10nm表面钝化层材料引起的异质结2DEG面密度变化主要与材料表面势和表面态分布有关。表2给出了应力和表面调制对2DEG的影响,应力调制导致的2DEG密度变化在5%以内,而材料表面性质的改变引起的载流子密度变化可以高达50%。在三种钝化层材料中,PEALD沉积的AlN对势垒层产生的应力和对表面性质的改变都最明显,使2DEG面密度变化量也最大。
表2 采用表面钝化层后应力和表面势调节对异质结2DEG面密度的影响
采用表面钝化层后应力和表面势调节对异质结2DEG面密度的影响  

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