等离子体辅助分子束外延生长N极性InAlN势垒高电子迁移率晶体管

摘要

采用分子束外延法生长氮极性InAlN势垒高电子迁移率晶体管（HEMT）。通过控制晶圆制备、外延层生长条件及结构设计，可获得表面平整、组分均匀的InAlN层，所制备的HEMT电子迁移率高达1,750 cm²/V∙sec。

摘要

等离子体辅助分子束外延技术非常适合用于生长具有光滑、陡峭界面的III族氮化物薄膜和异质结构，这些特性是高质量高电子迁移率晶体管（HEMT）所必需的。本文介绍了一种N极性InAlN HEMT的生长工艺，包括衬底制备以及缓冲层、InAlN势垒层、AlN和GaN插入层和GaN沟道层的生长。文中指出了工艺每一步中的关键问题，例如避免GaN缓冲层中Ga的聚集、温度对InAlN组分均匀性的影响，以及在AlN插入层生长及GaN沟道层生长前中断过程中Ga束流的使用。实验展示了组分均匀的N极性InAlN薄膜，其表面均方根粗糙度低至0.19 nm；报道的InAlN基HEMT结构器件在二维电子气面密度为1.7 × 10¹³ cm^-2时，电子迁移率高达1,750 cm²/V∙sec。

引言

分子束外延（MBE）是一种多功能的外延薄膜生长技术，采用超高真空环境，其本底压力可低至10^-11 Torr，以确保所生长薄膜中的杂质掺入量极低。外延生长层的组分和生长速率通过控制各个蒸发源炉的温度来调节，从而控制不同源材料的蒸发通量。在III族氮化物外延生长中，III族元素（In、Al、Ga）通常由蒸发源炉提供，而活性氮（N*）通量则由N₂等离子体^1,2（射频等离子体辅助MBE：PAMBE或RFMBE）或氨气（NH₃-MBE）提供。^3,4 与其他外延生长技术（如金属有机化学气相沉积）相比，MBE生长具有更低的生长温度和更陡峭的界面突变特性。⁵ 示意图见图1。

图1：分子束外延（MBE）系统示意图。 示意图显示了进样室、传输系统、脱气站和生长室。

方案

1. 外流源炉升温程序与束流校准

1. 确认液氮₂ 正在流向低温面板，且生长室已达到基础压力。
2. 将 Ga 和 In 的外延生长单元以 1 °C/秒的升温速率、Al 单元以 10 °C/分钟的升温速率升至束流通量测量（BFM）温度。等待 1 小时，使各单元达到热稳定。
3. 打开每个腔室的快门30-60秒，然后关闭快门1-2分钟。每个腔室重复三次。舍弃第一次束流通量电离规的测量值，取后两次测量值取平均。根据先前的通量/温度校准结果，调节腔室温度以达到所需的通量。

2. 底物制备与加样

1. 原位外衬底清洗
   1. 直接装入外延级N极性GaN衬底，无需进行原位外清洗。如果晶圆暴露在空气中超过数小时，则依次用丙酮冲洗（30秒）、异丙醇冲洗（30秒）和去离子水（DI水）冲洗（60秒）。在可能的情况下，推荐采用冲洗而非浸泡，因为冲洗通常可在晶圆表面留下更少的颗粒。
      注：对于Ga极性GaN衬底，建议采用更严格的表面清洗方法。²³
2. 装入晶圆
   1. 关闭装载锁隔离闸阀，并用N₂充气。
   2. 将晶圆装入样品托，然后将样品盒放回装载锁....

结果

如图4(a)所示，在N极性GaN衬底上生长的InAlN薄膜的X射线衍射（XRD）扫描结果表明，50 nm和200 nm厚的薄膜均呈现单一衍射峰。50 nm厚InAlN薄膜的XRD扫描显示出高达15^阶的Pendellösung干涉条纹，表明其界面质量极高。图4(b)中的非对称倒易空间图显示，200 nm厚的InAlN层具有与GaN衬底相同的q_‖，即具有相同的面内晶格常数，表明InAlN层在较合理的厚度下实现了完全共格生长。InAlN层与GaN衬底在q_‖方向上的半高全宽（FWHM）非常接近，说明InAlN层中未引入额外的位错或其他结构缺陷。InAlN层在q_⊥方向上的展宽是由相对较薄的InAlN层中有限的相干长度展宽所导致的。

所示的原子力显微镜（AFM）图像 图5 比较.......

讨论

高质量GaN缓冲层的生长对于实现任何III族氮化物HEMT中的高电子迁移率至关重要。对于N极性InAlN HEMT而言，缓冲层的生长更为复杂，因为在开始生长InAlN之前必须将表面的所有Ga完全去除。除本文所述方法外，还有多种技术可用于实现这一目标，例如金属调制外延法²⁷、采用处于中间Ga覆盖度与Ga液滴聚集区域边缘的生长条件²⁸，或在周期性关闭Ga快门时保持连续的N^*-通量以掺入多余的Ga²⁴。

本案例中采用生长中断（以允许 Ga 蒸发）的方法，因为该方法可减少金属调制外延过程中快门的损耗，对晶圆温度不均匀性具有容忍性²⁹，并能避免实际生长时间（及层厚）的不确定性，同时防止因使用 N^* 束流引入 Ga 润湿层而导致杂质掺入²⁴。若采用适当的 Ga 束流以及生长/中断时间，该技术可获得条纹状反射高能电子衍射（RHEED）图样，并实现光滑的表面/界面，其均方根粗糙度 <1 nm。除图3中描述.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
N极性自支撑GaN晶圆	Kyma		10 mm × 10 mm
C极性SiC晶圆	Cree	W4TRE0R-L600	3英寸直径
微电子级丙酮	Fischer Scientific	A18-4
微电子级异丙醇	J.T. Baker	9079-05/JT9079-5
Al源材料（6N5纯度）	UMC	ALR62060I
Ga源材料（7N纯度）	UMC	GA701
In源材料（7N纯度）	UMC	IN750
ULSI级N2源气体（6N纯度）	Matheson Tri-gas	G2659906D
PRO-75分子束外延系统	OmicronScientia