摘要：实现了PIN型GaN外延材料的生长，并深入研究了影响器件性能的关键i-GaN外延层的生长温度和生长气流等要素。结果表明，适当的生长温度和气流条能够有效改善GaN的位错密度和背景掺杂，从而提升其晶体质量；过高或过低的生长温度和低气流则可能导致杂质原子如C、O等并入外延材料，形成高位错和缺陷。制备了GaN基PIN型器件，并探究了不同p层掺杂浓度对其电学I-V特性的影响。结果表明，较高的掺杂浓度有助于制备势垒低的欧姆接触，形成更优越的PN结特性。比较了Ni/Cr和Ni/Au两种金属接触对器件I-V特性的影响。结果表明，以Ni/Au制备P型欧姆接触能够获得更低的反向漏电流。此外，相较于Cr、Au具有更优越的稳定性和耐压性。深入探讨了PIN型GaN外延材料的生长条件对器件性能的影响，并通过制备GaN基PIN型器件深入研究了掺杂浓度和金属接触对电学特性的影响。

　　关键词：GaN；PIN；生长温度和气流；p层掺杂浓度；欧姆接触；漏电流

　　0引言

　　近几十年来，半导体技术的发展推动了电子器件领域的长足进步。第一代半导体硅（Si）奠定了电子器件的基础，但在高频、高压、强辐射条件下表现出不足。第二代半导体以砷化镓（GaAs）为代表，广泛应用于4G通信等领域，但同样面临性能限制。随着科技不断进步，第三代半导体以氮化镓（GaN）为代表崭露头角，具备高电子饱和迁移率、高击穿电场、高热导率等特性[1]，为电子器件的发展提供了新的机遇。目前，GaN已广泛应用于高电子迁移率晶体管（HEMT）、异质结双极晶体管（HBT）、发光二极管（LED）、激光二极管（LD）和紫外（UV）探测器等微电子和光电子器件领域[2-4]，为行业带来了新的发展机遇。

　　在照明领域，氮化镓（GaN）薄膜的高质量生长已经取得显著的进展。1993年，Akasak等[5]首次成功制备出了P-GaN/n-InGaN/n-GaN双异质结构蓝光发光二极管（LED）。在室温下，正向电流为20 mA时，输出功率为125μW，外部量子效率高达0.22%。蓝光LED的出现解决了合成白光的难题，对LED的全彩显示和可见光照明产生了革命性的影响。在半导体器件领域，GaN材料广泛用于高电子迁移率晶体管（HEMT）。目前，主流的制备方法是通过异质衬底外延生长GaN薄膜。由于存在极化效应，异质结之间形成了高浓度的二维电子气（2DEG）。这种二维电子气显著提升了GaN薄膜的电子迁移率和饱和电子漂移速率。早在1993年，M A Khan等[6]利用二维电子气成功开发出了饱和电子漂移速率为1×107 cm/s，电子迁移率为2 000 cm2/V·s的AlGaN/GaN结构的HEMT。在2007年，王晓亮等[7]在50 mm半绝缘6H-SiC衬底上生长的AlGaN/GaN HEMT中，其二维电子气迁移率高达2 215 cm2/V·s，二维电子气浓度更是达到了1.044×1 013 cm-2。

　　与此同时，由于GaN具有禁带宽度大、位移能高等特点，并且随着器件制备工艺的逐渐成熟，GaN在核辐射探测领域表现出越来越显著的优越性。目前，大多数GaN核辐射探测器采用同质衬底的三明治结构。尽管这类探测器在探测性能上表现出色，但自支撑衬底的高昂成本和相对较小的尺寸限制了GaN探测器在产业应用上的发展。早期GaN发展受限于缺乏同质衬底，直到1969年，Maryska等[8]在Sapphire衬底上采用氢化物气相外延（HVPE）成功获取了载流子浓度在（1~5）×1019 cm-3的单晶GaN，其载流子迁移率为125~150 cm2/V·s。随后，Yoshida等[9]通过研究反应分子束（MBE）在AlN涂层蓝宝石上生长的GaN外延薄膜的电学和发光性能中，证实了AlN外延薄膜上的GaN薄膜具有更大的霍尔迁移率并且使用AIN涂层蓝宝石作为衬底可以提高GaN薄膜的晶体质量。Amano等[10]使用低温AlN两步外延的方法并结合金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术成功生长出光学表面平坦无裂纹的GaN薄膜。由于MOCVD生长技术的独特优势和不断完善发展，研究者们逐渐将注意力转向基于蓝宝石衬底的GaN外延层。此外，相对于其他半导体器件的肖特基结构，PIN型结构的器件具有更高的内建电场和势垒，在探测器等器件中具备更大的优势。因此，如何实现高质量的PIN型GaN外延层的生长成为当前研究的焦点。

　　本文采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术在蓝宝石衬底上生长PIN型GaN外延薄膜，为提高PIN型GaN外延材料的晶体质量，对PIN型中关键i-GaN外延层的生长温度以及生长气流等生长要素进行研究。同时讨论了P-GaN中掺杂浓度对器件I-V特性的影响以及不同金属接触对于器件性能的变化。

　　1实验

　　实验中GaN样品采用金属有机化合物气相沉积（MOCVD）在c向蓝宝石平面衬底上生长，生长过程中使用低温GaN成核层的GaN的两步外延生长工艺[11]。以TMG和NH3为源，先生长出低温成核层，再生长高温外延层，在生长n型以及P型GaN时分别采用SiH4（Si掺杂）和Cp2Mg（Mg掺杂）作为掺杂剂。在蓝宝石衬底上先生长2μm的u-GaN作为缓冲层用以减小应力，再分别生长2μm的n-GaN层和i-GaN层，而后在其上生长300 nm的p-GaN层并进行炉内N2活化，最终形成PIN型GaN外延材料薄膜。其化学反应方程如下：

　　Ga(CH3)3(g)+NH3(g)→GaN(s)+3CH4(g)（1）为了制备出PIN型器件，使用感应耦合等离子体

　　（ICP）刻蚀形成台面，再经过电子束蒸镀N型GaN欧姆接触电极和P型金属欧姆电极。结构示意如图1所示，方形P电极为2 mm×2 mm，环状n电极宽度为0.5 mm。

　　同时，为生长出晶体质量较高的PIN型GaN外延材料以及改善PIN型器件性能，对其关键的i-GaN外延层生长过程中的生长温度、生长气流进行大量研究。此外，为改善器件性能，深入研究了PIN型中p-GaN层的掺杂浓度变化对P型欧姆电极的影响，并且对比了P型金属欧姆电极，研究了Ni/Cr（50/50 nm）和Ni/Au（50/50 nm）对器件I-V特性的影响。

　　2结果与讨论

　　2.1生长温度、气流对GaN外延层的影响

　　由于缺乏与GaN晶格常数和热膨胀系数相匹配的衬底材料，导致生长出的GaN外延薄膜位错密度相对较高。而低温两步外延生长法能够有效降低外延测的位错密度[12-13]。这种方法引入的低温成核层即为后续高温外延GaN薄膜生长提供了一维的成核点，而后这些成核点继续在横向和纵向生长，最终形成了连续的二维薄膜，又能有助于释放GaN薄膜和衬底之间的应力，导致大量位错集中在衬底和外延薄膜的界面处，从而在随后的高温生长过程中降低位错密度[14]。此外，对于PIN型器件，i层既是空间电荷区，也是耗尽层。过高的位错密度以及过高的背景掺杂都会致使器件性能变差。因此，i层的晶体品质是决定整个器件性能的重要因素，而其生长过程会受到生长温度、气流等因素的影响[15-16]。对此，研究以下因素对GaN晶体质量的影响。

　　（1）生长温度

　　为研究生长温度对u-GaN晶体质量的影响，以三甲基镓（TMGa）和氨气（NH3）为源。其中，TMGa的流量为34.7 sccm（即cm3/min），NH3为4 slm（即l/min），反应室为常压水平反应室，Ⅴ/Ⅲ比为1 791.5。生长温度为1 075~1 165℃,生长了7组样品，材料表征方式采用X射线衍射（XRD）技术进行晶体质量评估。同时，由于生长温度不同，生长速会发生相应变化，因而会造成XRD的测量误差。为避免由于不同厚度导致的测量误差，将所有样品的生长厚度控制在约为3.6μm。生长参数以及测试结构如表1、图2所示。

　　图2所示为生长温度对GaN外延层的X射线摇摆曲线的影响，随着生长温度的上升，GaN的外延材料晶体质量先有所好转后又逐渐恶化。当温度升高时，杂质O是主要剩余施主，升高温度则有利于抑制

　　O杂质的并入。O可能来源于TMGa或NH3，也可能来自生长系统的沾污或漏气。但随着生长温度的继续升高，无论是剩余施主杂质还是剩余受主杂质的浓度均有所提高[17]。剩余受主杂质主要是C，它主要是来自TMGa的热解所产生的甲基。甲基既可能占据Ga位，失去H掺入外延层；又可能和H结合，生成CH4从表面脱附。这两种机制竞争的结果使得GaN中的C含量随着温度的升高而上升。从而随着背景掺杂的浓度的上升，位错密度增加，外延层GaN的XRD半高宽增加，晶体质量变差。

　　（2）生长气流

　　如今MOCVD设备反应室气流都是层流系统，这样设计既可以使MO源与气流源充分混合，也能避免形成涡流现象。因此一般分为3层流，分别为V族气流（GS-Total）、Ⅲ族气流（MO-Total）、吹扫气流（OT-Total）。为研究生长气流对u-GaN晶体质量的影响，保持TMGa为34.7 sccm和NH3为4 slm，Ⅴ/Ⅲ比为1 791.5不变。3层气流分别为10-10-34 slm，11-11-34 slm作为对照组，保持GS-Tota和MO-Total一致，也可避免切换气流时导致回流。生长参数如表2所示。

　　图3所示为出生长气流对GaN外延层的X射线摇摆曲线的影响。

其中A样品的002面和102面的FWHM分别为332 arcsec及377 arcsec。而B样品002面、102面的FWHM分别下降至317 arcsec及312 arcsec。可见随着气流的增大从而提高了反应室的工作压力，致使Ⅴ/Ⅲ族源的分压增大，进而减少了C、O等非故意掺杂杂质的并入，减少了GaN的晶体位错并且提高了GaN的晶体质量。同时总气流增大又稀释了反应剂使生长速度下降，提升了外延片的均匀性。如图4所示，所测得两个样品的方块电阻（Rs）也可印证随生长气流的增大，背景杂质浓度下降，从而提升了样品B的Rs值。

图5所示为样品B所测SIMS。

        2.2 P-GaN及其欧姆接触对PIN型器件的影响

　　（1）P型掺杂

　　为研究P型掺杂（Mg掺杂）对PIN型器件电学特性的影响，生长出了外延层整体厚度约为6μm，其中2μm缓冲层，n层和i层各2μm，p层300 nm，n层掺杂浓度约为1019 cm-3。为了对比p层掺杂浓度（Mg掺杂）对PIN型器件的影响，采用Cp2Mg作为掺杂剂生长出掺杂浓度分别约为1020 cm-3（Hall测试出空穴浓度约为1017 cm-3）和1017 cm-3的2个样品Ⅰ、Ⅱ。

　　图6所示为其电学I-V特性。由图可知，高掺杂的p层显著的增强了GaN基PIN型器件的电学特性。当金属与半导体接触时，如果半导体掺杂浓度很高，则势垒区宽度变得很薄，电子也要通过隧道效应贯穿势垒产生相当大的隧道电流，甚至超过热电子发射电流而成为电流的主要成分。当隧道电流占主导地位时，它的接触电阻可以很小，可以用作欧姆接触。因此，半导体重掺杂时，它与金属的接触可以形成接近理想的欧姆接触。高浓度掺杂p层相对于GaN基PIN型和探测器而言，其更低的反向漏电流对于探测器的工作性能也具有十分重要的影响。

　　（2）P型金属接触

　　为研究P型金属欧姆电极对GaN基PIN型器件的影响，采用电子书蒸发技术蒸镀Ni/Cr（50/50 nm）和Ni/Au（50/50 nm）2种P型金属欧姆接触样品，分别为样品a、b。对于P-GaN，其功函数高达6.6 eV[18-19]，常见的金属功函数都比这个值低，如Pt、Pd等，很难形成良好的欧姆接触。之所以选择Ni作为第一层，是其在氧气氛围退火下，易形成P型NiO[20]，P-NiO降低了P-GaN的势垒。

　　图7所示为不同P型金属欧姆接触电极对PIN型器件的I-V特性。可见相较于Ni/Cr，Ni/Au更具有优势。Sample b比Sample a具有更低的反向漏电流，且耐压性更好。Sample a甚至在-50 V时，其反向漏电达到了10-4数量级。上一层的Au既可以阻止下层的Ni向上扩散[21]，而且相较于Cr更为稳定，不易向下扩散，同时还能保护下层的金属免受氧化[22]。

      3结束语

　　本研究通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术成功生长出高质量的PIN型外延薄膜，并对其i-GaN中的生长过程中的生长温度、气流等关键要素进行深入研究。这为后续制备器件提供了充分的准备。实验结果表明，适当的生长温度和气流对提高PIN型外延薄膜的晶体质量至关重要。过高的生长温度导致大量位错形成，而较低的生长气流会导致非故意杂质原子（如C、O）并入，影响晶体质量。相较于10-10-34 slm气流的生长条件，11-11-34 slm气流的应用显著提高了GaN薄膜的晶体质量和减少了背景杂质。在微电子加工工艺方面，本文成功制备了GaN基PIN结构的器件，并详细讨论了不同P-GaN掺杂浓度以及P型金属欧姆接触对器件特性的影响。实验结果显示，较高的P-GaN掺杂浓度有助于制备低势垒的欧姆接触，并显著提升了器件的PN结特性和耐压性。这一发现对于优化器件性能具有重要意义，为实际应用提供了有益的参考。

　　在器件制备过程中，比较了2种P型欧姆接触材料（Ni/Cr和Ni/Au）对器件性能的影响。测试结果表明，使用Ni/Au制备的P型欧姆接触明显降低了器件的反向漏电流，达到了1个数量级的改善。此外，Ni/Au接触还表现出更好的稳定性，为器件的长期可靠性提供了保障。

　　总的来说，本研究通过综合应用MOCVD技术、微电子加工工艺和电学性能测试，深入研究了PIN型GaN外延材料的生长机制和器件性能的优化。本文提出了适宜的生长条件，探讨了掺杂浓度和金属接触材料对器件性能的影响，并为优化PIN型GaN器件设计提供了实用建议。这些研究成果对GaN材料和器件的研究具有重要的理论和实际价值，而且为相关领域的发展提供了实用性的指导和启示。未来，可以在这一基础上进一步拓展研究，推动GaN技术在微电子、光电子等领域的广泛应用。

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