G的PCOR-SIMS分析a在硅衬底上生长的N HEMT外延层

白皮书

AlGaN / GaN异质结构场效应晶体管(HFET) 已成为一项深入研究的课题,现已投入生产,用于微波频率的高压,高功率运行。 与由GaAs基材料制成的类似器件相比, 氮化镓 具有较大的峰值电子速度,较高的热稳定性和较大的带隙,所有这些都非常适合作为微波功率器件中的沟道材料。 进一步有助于AlGaN / GaN基HFET的性能是能够形成具有2的片载体浓度的二维电子气体(10DEG)13/厘米2。 这些器件通常被称为高电子迁移率晶体管(HEMT)。

然而,处理问题的区域是生长2DEG层的基板。 GaN衬底上的生长将是理想的,因为它与正在生长的层之间的精确晶格匹配。 这将意味着生长以将2DEG与衬底隔离的任何GaN缓冲层不必非常厚以避免器件的有源区中的缺陷。 遗憾的是,目前,GaN衬底不能以足够大的尺寸生长,从成本的角度来看,它们在商业上是可行的。 因此,必须使用替代的基材。 由于其导电性和导热性,正在使用单晶SiC,但主要是因为它与GaN(3%)非常紧密地晶格匹配。 然而,它也是非常昂贵的。 蓝宝石衬底较便宜但导热性较差(对于高功率器件而言是不利的)并且具有甚至更高的与GaN的晶格失配(13%)。 因此,硅作为潜在的基板正在引起人们的极大关注,因为硅基于已建立的制造工具和工艺。 然而,Si与GaN非常高度不匹配,这促进了在其上生长的GaN中的许多缺陷的生长。 这需要在Si衬底和2DEG形成层之间生长厚的AlGaN缓冲层,以降低器件的该区域中的缺陷密度。 图1和2中示出了这种情况的一个例子。

图1 Center和通过PCOR-SIMSSM测量的HEMT epi的边缘比较。

图1 通过PCOR-SIMS测量的HEMT外延的中心和边缘比较SM.

图1显示了逐点校正的SIMS(PCOR-SIMSSM) 深度剖面图 在150mm直径Si晶片上生长的完整GaN HEMT结构。 (结构的2DEG区域在表面几乎察觉不到,但我们稍后会解决。)在这个例子中,缓冲层以AlN层开始。 该材料与下面的Si不是很好地晶格匹配,但是它提供了绝缘层以将上面的层与衬底隔离。 AlN还用作种子层,在该种子层上生长连续的AlGaN层,其具有连续较低的Al水平。 如左下方所示,当GaN阻挡层生长时,降低的Al含量将缺陷密度降低到可接受的水平 TEM 图2中样品的显微照片。 注意PCOR-SIMSSM 分析准确地测量各种Al和Ga原子分数和层厚度。

图1还显示GaN阻挡层的下半部分掺杂有碳。 该碳掺杂通过AlGaN缓冲层中的杂质(主要是Si和O,如图中所示)补偿无意的n型掺杂,并增加击穿场强度。 然而,该图显示在晶片边缘处缓冲液的GaN部分中的碳掺杂比中心高十倍。 这将对跨越150mm晶片的不同位置处的阻挡层的电场减少特性产生相当大的影响。 然而,可以看出缓冲层的碳含量以及层厚度在晶片的中心和边缘之间更相似。 阻挡层中的碳水平(以及Si和O水平)是重要的,因为过高的水平将导致器件中的泄漏。

据报道,在2DEG附近,碳掺杂会促进垂直漏电流,导致2DEG沟道电子的载流子密度和载流子迁移率降低,并增加动态导通电阻和电流崩塌,所有这些都是有害的用于设备性能和可靠性。 尽管碳掺杂对2DEG和器件性能有害,但很少有报道涉及有源层(AlN尖峰和AlGaN阻挡层)中的残留碳水平。 这可能是因为测量该近表面区域中的碳受到表面凹坑的严重阻碍,所述表面凹坑由于穿过缓冲层深处的穿透位错(到达表面)而总是存在(参见图2)。

PCOR-SIMS  - 图2表面凹坑产生的横截面TEM图像(上图)和细节的更高放大率(下图)。

图2 表面凹坑产生的横截面TEM图像(上图)和细节的更高放大率(下图)。

碳将被吸附在暴露在空气中的顶部表面上,并且不会被完全除去 SIMS 溅射过程直到整个凹坑被溅射通过。 这种人为深的碳分布可以完全掩盖2DEG区域中真实的,重要的碳分布。

为了解决这个问题,我们开发了一个专有的 表面 清洁程序,从表面去除绝大部分碳,从而消除碳分布的深尾(图3)。 这使我们能够测量2DEG正上方的AlGaN势垒层以及2DEG正下方的AlN尖峰中的真实碳浓度。

PCOR-SIMS  -  3DEG区域中C的2 SIMS配置文件已收到(红色)和清洁后(蓝色)。

图3 2DEG区域中C的SIMS配置文件已收到(红色)和清洁后(蓝色)。

缓冲层也可以掺杂Fe和Mg。 这些也可以通过具有极低检测限的SIMS进行测量(图4)。 注意在GaN阻挡层内部的Fe分布中的峰值。 该峰值不存在于晶片的边缘,因此指出另一个难以在大基板上生长的均匀层。

PCOR-SIMS  - 图HNT中的4 Fe和Mg杂质SIMS测量epi。

图4 HEMT外延中的Fe和Mg杂质SIMS测量。

控制GaN势垒层中的非金属杂质水平也很重要。 例如,在2DEG正下方的GaN中,Si电平必须尽可能低,因为器件在没有掺杂剂的情况下起作用。 如图5所示,我们可以在10中间获得Si检测限14原子/厘米3范围; 低到足以看到2×1015原子/厘米3 Si水平位于2DEG下方。

图5还显示了GaN阻挡层中的H杂质水平。 氢可能对器件可靠性产生有害影响,因此人们试图尽可能降低H电平。 然而,在该实例中,我们看到阻挡层的碳掺杂部分中的H水平轻微升高。 这可能源于用于碳掺杂的源气体。

PCOR-SIMS  - 图5 HEMT外延层GaN阻挡层中H和Si的低检出限测量。

图5 HEMT外延层GaN阻挡层中H和Si的低检出限测量。

结构表面附近的区域是形成负责器件中电流流动的2DEG的区域。 这里形成2DEG是因为薄的顶部掺杂的AlGaN层和未掺杂的GaN层之间的导带不连续性。 这产生了三角形量子阱,其中电子积累。 该有源区域非常薄(20-30nm),并且可以非常小心地通过SIMS精确测量。 图6显示了PCOR-SIMS曲线,其显示了Al,其定位AlGaN顶层以及HEMT的2DEG形成区域的C,H,O和Si杂质。

PCOR-SIMS  - 图6通道区域更高深度分辨率HEMT设备的PCOR-SIMS分析。

图6 通道区域更高深度分辨率HEMT设备的PCOR-SIMS分析。

由于该层位于结构的顶部,因此采取措施以最小化表面的影响是很重要的 污染 这些暴露在空气中的表面总是存在的。 在图6中,使用我们专有的表面清洁程序除去了最初存在于样品表面的碳,该方法允许以1-2×10的水平测量AlGaN层中的碳掺杂水平17原子/ cm3 在样本的顶部15nm内。

图6还为器件工程师提供了另一个重要信息--AlGaN阻挡层的厚度。 这是栅极上的电位必须通过其控制2DEG中的电子密度并因此控制器件的电导的层。 这可以在图6中的线性图插图中看到。

图7显示了在线性标度上绘制的图6的选定图谱,而不是对数图,覆盖在相同区域的横截面TEM显微照片上。 Al分布图示出了AlNδ层的位置,其包括在结构中以通过减轻AlGaN中的施主的库仑散射来改善2DEG中的载流子迁移率。 我们可以在TEM显微照片中看到,AlGaδ层的实际宽度是通过Al型材的全宽半高(FWHM)高于AlGaN层中的恒定水平来正确测量的,尽管该剖面倾向于底层GaN由于表面凹坑如图3所示。

PCOR-SIMS-图7 SIMS覆盖层和横截面TEM显示HEMT沟道区域的详细分析,具有任意电导率变化曲线。

图7 SIMS和横截面TEM的叠加显示了具有任意电导率变化曲线的HEMT沟道区域的详细分析。

绘制碳分布图以显示掺杂相对于界面的确切位置的位置(由Al分布图显示)。 即使使用EDX(能量色散X射线光谱仪)或EELS(电子能量损失光谱仪),TEM也不能用于检测碳。

此外,我们显示受瞬时表面电位影响的轮廓(红色),从中可以推断出表面电导率。 2DEG仅在GaN内部形成,并且我们可以从图中看出,这是在轮廓通过孔内积聚的阻挡层内部导电率降低的区域之后样品电导率恢复的确切深度。

总之,我们已经展示了如何使用逐点校正SIMS(PCOR-SIMS)来确定GaN HEMT中基质元素和掺杂剂的准确浓度,以及这些结果如何用于优化外延层生长和失效分析。 如果您有任何疑问,请随时联系EAG,了解您的GaN HEMT分析需求。

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