[发明专利]一种高可靠AlGaN/GaN异质结构设计方法

摘要

本发明公开了一种高可靠AlGaN/GaN异质结构的设计方法，其特征在于，分别生长不同Al组分和不同AlN插入层厚度的AlGaN/GaN HEMT结构并测量其二维电子气面密度，基于实测数据统计，建立势垒层晶格弛豫度模型，并将该模型耦合到异质结构能带和二维电子气浓度计算中，针对特定二维电子气面密度目标设计值，通过二维电子气面密度拟合，得到最优的材料结构参数，使AlGaN/GaN异质结构势垒层弛豫度达到最低。本发明的优点可以在保证材料性能和器件性能的基础上，从根本上抑制由电、热等应力因素导致的器件性能退化，提高器件鲁棒性和可靠性，同时避免了大批量流片验证造成的成本浪费。

主权项

一种高可靠AlGaN/GaN异质结构的设计方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：a）在衬底（1）上依次生长成核层（2），AlyGa1‑yN缓冲层（3），GaN沟道层（4），AlN插入层（5），AlGaN势垒层（6），在AlN/GaN界面形成二维电子气（7）；b)当AlN插入层（5）厚度dAlN=0, 保持材料其它参数不变，改变AlGaN势垒层（6）中Al组分x（0.1≤x≤0.4），生长一系列AlGaN/GaN异质结构材料样本，样本数量≥3；计算AlGaN势垒层应变f(f=0.077x/3.189)，统计AlGaN势垒层应变f和二维电子气面密度实测结果ns；c）基于常规异质结能带和二维电子气面密度计算方法，对样本进行计算，调节AlGaN势垒层（6）的弛豫度R使计算的二维电子气面密度与实测结果相等，获得一组AlGaN势垒层应变f和应变弛豫度R对应关系的数据[f, R]（8）；基于上述数据[f, R]（8），采用函数曲线拟合法,建立以AlGaN势垒层应变f为自变量、应变弛豫度Rstress为因变量的关系模型Rstress(f)（9）；d) 当AlGaN势垒层（6）中Al组分x≤0.2,保持材料其它参数不变，改变AlN插入层（5）厚度dAlN （0nm≤dAlN≤1nm），生长一系列AlGaN/AlN/GaN异质结构，样本数量≥3，统计AlN插入层厚度、二维电子气面密度实测结果ns；e）基于常规异质结能带和二维电子气面密度计算方法，对样本进行计算，调节AlxGa1‑xN势垒层的弛豫度R使计算的二维电子气面密度与实测结果相等，获得一组AlN插入层厚度dAlN和AlGaN势垒层弛豫度R'对应关系的数据[dAlN, R']（10）；基于上述数据[dAlN, R']（10），采用函数曲线拟合法, 建立以AlN插入层厚度dAlN为自变量、AlGaN势垒层相对弛豫度Rrelative为因变量的关系模型Rrelative(dAlN)（11）；f）当AlN插入层（5）厚度dAlN>0时，计算AlGaN势垒层（6）应变,其中x为AlGaN势垒层Al组分，Rrelative为势垒层相对弛豫度；由于AlGaN势垒层应变f为Al组分x和相对弛豫度Rrelative的函数，而Rrelative为AlN厚度dAlN的函数，所以AlGaN势垒层应变弛豫度Rstress为Al组分x和AlN厚度dAlN函数，即Rstress(f)= Rstress(x,Rrelative)= Rstress(x, dAlN)；g）AlGaN势垒层总弛豫度Rtotal＝AlGaN势垒层相对弛豫度Rrelative(dAlN)+ 应变弛豫度 Rstress(x,dAlN), 将AlGaN势垒层总弛豫度Rtotal纳入到常规异质结能带和二维电子气面密度计算当中，计算不同Al组分x和AlN厚度dAlN的二维电子气面密度曲线，其中横坐标为AlN插入层厚度dAlN，纵坐标为二维电子气面密度ns，x为参量；h）针对器件研制所需的二维电子气面密度目标设计值（12），选择与该设计值水平线相切的那条二维电子气面密度随AlN插入层厚度的变化曲线（13），获得曲线（13）对应的AlGaN势垒层Al组分x0，以及切点（14）的横坐标dAlN0，即为最优材料参数，此时材料结构的弛豫度最低。