國防科技學術合作研究計畫成果報告
計畫編號：96-2623-7-009-014-D
執行期間：96 年 01 月 01 日至 96 年 12 月 31 日
計畫主持人：張翼
執行單位：國立交通大學材料科學與工程學系(所)
中華民國 97 年 1 月 20 日
目錄
簡介
--- 3計畫摘要
--- 6計畫進度
--- 8執行成果
--- 9結論
--- 13文獻
--- 14簡介
隨 著 高 功 率 元 件 的 快 速 發 展，使 用 高 功 率 固 態 電 子 元 件 放 大 器 取 代 原 本 放 大 器，以 減 少 系 統 體 積，降 低 複 雜 度 並 提 高 可 靠 度 成 為 雷 達 系 統 發 展 的 方 向。而 此 元 件 必 須 具 備 諸 如 超 高 功 率 、 高 效 率 、 高 線 性 度 等 特 性 。 氮 化 鎵 族 的 半 導 體 擁 有 許 多 吸 引 人 的 電 子 材 料 特 性 ， 如 寬 能 隙(3.45eV)、 高 崩 潰 電 場 (5×106V ㎝- 1)、 異 質 界 面 AlGaN/GaN 調 變 參 雜 (Modulation Doping) 可 達 到 高 電 子 移 動 率 (1500cm2V- 1S- 1) 和 極 高 的 Peak drift velocity(3×107㎝ S- 1)， 這 些 特 性 可 以 滿 足 高 功 率 高 頻 元 件 之 需 求 。
由 於 Nitrides 的 III-V 族 化 合 物 半 導 體 都 具 有 直 接 能 隙 ， 且 範 圍 可 由 0.9eV（ InN）
到 6.2eV（ AlN）。 所 以 ， 經 由 能 帶 工 程 可 以 得 到 相 當 大 範 圍 的 能 隙 變 化 ， 這 使 得 元 件 設
計 的 彈 性 大 為 增 加 ， 利 用 GaN 異 質 結 構 元 件 作 為 電 子 的 應 用 上 。 這 方 面 已 經 有 相 當 多
的 研 究，其 中 的 翹 楚 首 推 美 國 Cree 公 司 的 Mishra 所 領 軍 的 團 隊，在 GaN HEMT 的 研 究
擁 有 相 當 豐 碩 及 領 先 的 成 果i, ii, iii, iv, v, vi, vii。 因 此 氮 化 鎵 在 此 方 面 的 應 用 ， 深 受 世 人 重 視 。
Band Ga
p
氮 化 鎵 的 寬 能 隙 及 其 它 特 性 使 它 電 子 應 用 方 面 皆 深 具 潛 力，表 一 簡 明 的 表 示 這 些 優 越 的 特 性 對 元 件 應 用 的 影 響 。 表一 GaN 在高頻應用之優越特性 寬能隙 (Wide Bandgap) GaN（烏采結構）~3.45 eV GaN（閃鋅結構）~3.26 eV - 不易因元件過熱而失效 - 耐高電流及高電壓 - 可在高溫環境操作 高崩潰電場（High Breakdown voltage）~5*106 V/cm - 可增加元件功率密度 - 可有較短的 gate length 導熱係數(σT) GaN（烏采結構）~1.3W/㎝℃ - Duty cycle 和封裝密度與導熱性成正 比 (對高頻，高功率元件而言) 飽和漂移速率(Vsat) GaN（烏采結構）~2.7*107 cm/sec - 具有更佳高頻特性 viii 介電常數(K) GaN（烏采結構）~9.5 - 低 K 值，載子生命週期短,可有提高操 作頻率 由 上 表 中 可 看 出 ， 由 於 GaN 優 越 的 材 料 特 性 ， 使 得 其 在 高 頻 功 率 元 件 的 應 用 上 有 極 大 的 潛 力 。 其 寬 能 隙 的 特 性 ， 使 元 件 能 夠 在 高 溫 下 正 常 運 作 ， 讓 元 件 能 在 較 惡 劣 的 高 溫 環 境 中 還 能 運 作，並 意 味 著 其 為 高 功 率 元 件 的 最 佳 選 擇。在 高 頻 元 件 的 應 用 方 面 ， 根 據 Baliga’s Figure of Merit 的 評 估 ：
2 12 1.5
,BHF C G 2 B
f E V V
M ≡µ⋅ ⋅
比 較 GaN 與 Si 的 Mf J比 值 是 100、 與 GaAs 的 比 值 是 10， 表 示 GaN 比 另 二 者 適
用 於 高 頻 功 率 元 件 。 表 二 ： 不 同 材 料 基 本 物 理 特 性 比 較 特 性 比 較 ＼ 材 料 別 Si Ga As Si C Ga N
M
f BHF 1.0 10 ~1 2 ~10 0氮 化 鎵 發 展 上 目 前 遇 到 的 最 大 問 題，為 獲 得 高 品 質 之 材 料。由 於 缺 乏 氮 化 鎵 單 晶 可 供 磊 晶，目 前 所 進 行 之 研 究 皆 為 成 長 於 其 他 單 晶 上。氮 化 鎵 以 兩 種 比 較 穩 定 的 結 晶
型 式 存 在 ， 一 是 六 方 晶 系 烏 采 (Wurtzite) 結 構 、 另 一 是 立 方 晶 系 閃 鋅 結 構
(Cubic/Zincblend)。 烏 采 結 構 是 長 在 Sapphire 或 6H/4H SiC 上 ， 而 閃 鋅 結 構 是 長 在 極 性 立 方 材 料 上(如 GaAs)，目 前 全 世 界 大 都 以 烏 采 結 構（ Wurtzite）的 藍 寶 石 單 晶（ Al2O3）
為 基 材 ， 最 近 也 有 以 SiC 為 基 材 者 （ 如 美 國 Cree ）。 磊 晶 生 長 方 式 ， 有 MOCVD
（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition）， MBE（ Molecular Beam Epitaxy） 的 薄
膜 磊 晶 技 術 與 HVPE（ Hydride Vapor Phase Epitaxy） 的 厚 膜 成 長 技 術 。 MOCVD 有 著
大 量 生 產 之 優 點 與 已 在 藍 光 LED 市 場 獲 得 驗 證 。 MBE 擁 有 準 確 界 面 控 制 的 能 力 。
HVPE 則 可 以 成 長 出 極 高 品 質 之 氮 化 鎵 磊 晶 。 目 前 對 於 哪 種 技 術 或 數 種 技 術 結 合 能 夠 成 長 出 符 合 高 功 率 高 電 子 遷 移 率 電 晶 體 所 需 之 磊 晶 片 ， 目 前 尚 無 定 論 。
至 於 磊 晶 結 構 之 研 究，目 前 主 要 的 研 究 方 向 以 改 變 不 同 材 料 組 成 磊 晶 結 構 提 升 元
件 特 性 。 現 在 氮 化 鎵 微 波 元 件 有 三 種 改 良 結 構 被 提 出 ， 一 為 插 入 AlN 於 AlGaN/GaN
之 間，即 AlGaN/AlN/GaN 高 電 子 遷 移 率 電 晶 體 (HEMT)，二 為 使 用 InGaN 當 作 通 道 之
HEMT， 三 為 使 用 InAlN Schottky layer 之 HEMT。 三 種 結 構 都 利 用 HEMT 結 構 的 量 子 井 而 使 電 子 侷 限 於 量 子 井 中，形 成 二 維 電 子 氣(2 dimensional electron gas，2DEG)， 此 數 結 構 mobility>1300cm2/V-s， 工 作 頻 段 可 輕 易 >10GHz。 此 外 ， 此 三 種 HEMT 結 構 的 量 子 井 結 構 由 於 更 大 之 conduction band discontinuity 與 更 強 烈 的 壓 電 效 應，可 獲 得 比 一 般 AlGaN/GaN HEMT 結 構 更 高 之 載 子 濃 度 (sheet carrier concentration)， 加 上 極 高 的 電 子 飽 和 傳 輸 速 度 ， 故 可 以 有 極 高 的 飽 和 電 流 值
計畫摘要
氮化鎵磊晶成長並無晶格匹配的基材，僅能選用SiC 及 sapphire 作為磊晶成長的基板，其晶格不
匹配分別高達4%及 16%，如此大的晶格不匹配會造成大量的差排 (dislocation)，而劣化磊晶品質。幸
而SiC、sapphire 及 GaN 均為六方晶結構(hexagonal)，運用緩衝層(buffer layer)的成長，可使差排互相
結合減少其密度，有效提昇磊晶品質。以兩種基版而言，高品質的高頻高功率氮化鎵微波元件皆已被 實現，目前主要的研究方向轉而以改變磊晶結構提升元件特性。現在氮化鎵微波元件有三種改良結構
被提出，一為插入AlN 於 AlGaN/GaN 之間，即 AlGaN/AlN/GaN 高電子遷移率電晶體(HEMT)，二為
使用InGaN 當作通道之 HEMT，三為使用 InAlN Schottky layer 之 HEMT。三種結構都利用 HEMT 結
構 的 量 子 井 而 使 電 子 侷 限 於 量 子 井 中 ， 形 成 二 維 電 子 氣(2 dimensional electron gas，2DEG) ，
mobility>1300cm2/V-s， 工作頻段可輕易>10GHz。此外，此三種 HEMT 結構的量子井結構由於更大之
conduction band discontinuity 與更強烈的壓電效應，可獲得比一般 AlGaN/GaN HEMT 結構更高之載子 濃度(sheet carrier concentration)，加上極高的電子飽和傳輸速度，故可以有極高的飽和電流值。本計劃 主要運用有機金屬氣相沈積(MOCVD)成長 buffer GaN 以求得較佳之 buffer layer 平整度，接著使用分 子束磊晶(MBE)成長 AlGaN/AlN/GaN 之磊晶結構以取得較佳之量子井介面平整度，運用兩種成長方式
之優點成長高品質之磊晶。並以製程方式增加元件的崩潰電壓及輸出功率，以製作出操作在 3GHz，
In the epitaxial growth of GaN, due to the lack of lattice matched substrate. The epilayer can only be grown on the SiC or sapphire, which has large lattice mismatch of 4% and 16% respectively. This value of mismatch will introduce dislocation in the GaN film and degraded the quality. However, using optimized buffer layer growth, dislocation density can be effectively reduced. For both substrates, high frequency, high power microwave devices has been realized. The research now turned to epilayer structure engineering to further improve the performance. Three approaches have been proposed, including insertion of AlN layer between AlGaN/GaN, InGaN channel HEMT and InAlN schottky layer HEMT. These structures use quantum wells to confine the electrons within 2DEG. Furthermore, higher sheet carrier concentration compared to the standard AlGaN/GaN HEMT is possible because of the larger conduction band discontinuity and stronger piezoelectric effect. Thus results in higher saturation current. This proposal uses MOCVD to grow buffer GaN on sapphire, and MBE for sequential AlGaN/AlN/GaN epitaxial layer growth. Breakdown voltage and output power density will be optimized by process parameter and structure design. A power HEMT with output power density of 6W/mm operating at 3GHz will be demonstrated.
執行成果
1. 氮化鎵成長與材料分析 氮化鎵重要之成長參數為五三比與成長溫度。已知成長 Ga-face 之氮化鎵需要在三族偏高之氣氛 下成長，但是過多之三族會導致氮缺少產生空孔，使得氮化鎵因為缺陷變成 n 型半導體。磊晶品質將 使用高解析度 X 光繞射儀作雙晶 X 光繞射(DCXRD)，由量測氮化鎵 rocking curve 之半高寬作初步判斷， 良好氮化鎵磊晶半高寬應落在 200~300arcsec 之內。另外將配合 Photoluminescence 量測，由最強之 emission(DoX)半高寬與 yellow band 作進一步的判斷。電極將製作於氮化鎵上以進行霍爾量測。由於氮 化鎵為寬能隙半導體材料，電極無法使用傳統銦球(在氮化鎵上為蕭基接點)。將會利用電子槍蒸鍍機 蒸鍍 Ti/Al/Ni/Au 並高溫退火處理形成歐姆接點。量測出氮化鎵電子遷移率與背景摻雜濃度。下圖二為成長所得之氮化鎵晶片X 光繞射圖。氮化鎵(002)面半高寬為 260arcsec，(102)面半高寬
為605arcesc。 PL 顯示能隙大小為 3.46eV，且沒有出現與缺陷有關之 yellow band（圖三）。霍爾量測
電子遷移率為210 cm2/V-s ，載子濃度為 7.3 E+16 cm-3 圖二(a) 氮化鎵(002)面 X 光繞射圖 圖二(b) 氮化鎵(102)面 X 光繞射圖 -600 -400 -200 0 200 400 600 0 200000 400000 600000 800000 1000000 1200000 1400000 Co unt s Omega (arcsec) GaN(002) -1000 -500 0 500 1000 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 Cou n ts Omega (arcsec) GaN (102)
圖三 PL 光譜圖 2. 氮化鎵/氮化鋁鎵界面成長與特性量測 對於氮化鎵高電子遷移率電晶體而言，最重要的地方為傳輸電子之二維電子井。不但需要有高濃 度之載子濃度，更需要有足夠之電子遷移率才能提高元件之操作頻率與輸出功率。為了減低電子被散 射之機率，除了高品質的氮化鎵外，更需要有平整且均勻之氮化鎵/氮化鋁鎵接面。在這裡我們將使用 分子束磊晶之優勢，即良好之介面控制，試圖提高電子遷移率。 在完成氮化鎵/氮化鋁鎵磊晶結構後，首先會使用高解析度 X 光繞射儀作雙晶 X 光繞射(DCXRD) 之 Ω-scan 再度確認氮化鎵磊晶品質，並將做 Omega-2Theta scan 藉由氮化鎵與氮化鋁鎵個別繞射出來 之訊號間距計算鋁含量。若有必要會更進一步使用偏軸高解析度 X 光繞射(HRXRD)做出磊晶片之倒空 間晶格圖(Reciprocal Space Map)計算氮化鋁鎵之 a 軸與 c 軸長度，並確認氮化鋁鎵是否有 relax。原子力 顯微鏡也會被使用來判斷表面之粗糙度。在確定磊晶片物理特性合乎標準後，將同樣製作電極進行霍 爾量測評估晶片品質。
成長之 AlGaN/GaN 結構藉由高解析度 X 光繞射儀進行 omega-2theta scan 可觀察到明顯之 AlGaN 繞射訊號，計算得到之 Al 含量為 30%(圖四)。同時利用 XRR(X-ray Reflectivity)由實際量測結果與程式 模擬比較，氮化鋁鎵厚度為 29nm(圖五)。SEM 與 AFM 驗證表面的平坦度為 0.744nm(圖六(e)(f))。試片 製備後由穿透式電子顯微鏡進行分析(圖七)，AlGaN 厚度為 30nm，AlGaN 與 GaN 之間界面明顯且清晰。
霍爾量測電子遷移率為 1500 cm2 /V-s ，2DEG 載子濃度為 1E+13 cm-2 。 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 0 100000 200000 300000 400000 PL Inte n s ity(a.u. ) Photon energy(eV) M168
圖四 氮化鋁鎵/氮化鎵 Omega-2Theta scan X 光繞射圖
圖五 XRR 量測及模擬 AlGaN 厚度圖
圖六(a) 氮化鋁鎵 SEM 表面影像 圖六(b) 氮化鋁鎵 AFM 表面分析
-500 0 500 1000 1500 2000 10000 100000 1000000 Count s Omega-2Theta (arcsec) AlGaN/GaN (002)
圖七 氮化鋁鎵/氮化鎵界面 TEM 影像 3.氮化鎵/氮化鋁/氮化鋁鎵界面成長 在完成氮化鎵/氮化鋁鎵磊晶結構成長後，將在氮化鎵/氮化鋁鎵之間插入一層 1nm 之氮化鋁，此 層之成長及品質極為重要，將使用研究所得之成核層最佳化條件為基準來調整。評估方式以氮化鎵/ 氮化鋁/氮化鋁鎵結構霍爾量測結果，其電子遷移率必須優於之前成長之氮化鎵/氮化鋁鎵結構。我們 也將製作不同條件穿透式電子顯微鏡剖面試片，以電子顯微鏡觀察氮化鋁鎵/氮化鋁界面厚度與粗糙 度。 圖八 氮化鋁鎵/氮化鋁/氮化鎵表面與斷面 SEM 影像 由掃瞄式電子顯微鏡觀察成長後之試片表面與斷面可得知磊晶層總厚度為1.94μm，表面除了因 為在 Ga-rich 條件成長導致之表面金屬液滴凝結外非常平整。利用鹽酸溶解表面殘留鎵金屬後，以 XRR
分析各層厚度如下圖九。AlN 厚度為 1.1nm，其上為 36nm 之 AlGaN。
圖九 XRR 量測及模擬 AlGaN/AlN/GaN 厚度圖
AlGaN/AlN 界面品質與厚度則使用穿透式電子顯微鏡確認，由下圖十高解析度穿透式電子顯微 鏡影像圖可發現，AlN 上下界面皆清晰可分辨，厚度為 1.5nm。
圖十 AlGaN/AlN/GaN 結構 HR-TEM 影像圖
為了量測AlGaN 或 AlN 是否會因晶格不匹配應力累積導致晶格 relax 而降低壓電效應與晶體品
質，我們利用Reciprocal space map (RSM)量測 AlGaN 與 GaN 之晶格常數，結果顯示兩層 a 軸皆具相
圖十一 AlGaN/AlN/GaN 結構 Reciprocal Space Map (RSM) 此一結構霍爾量測電子遷移率為 1500 cm2 /V-s ，2DEG 載子濃度為 1.3E+13 cm-2 。藉由插入 AlN， 載子濃度有有效的提高。 4. 氮化鎵/氮化鋁/氮化鋁鎵 HEMT 製作量測 在元件磊晶成長完成後，在無塵室經過絕緣蝕刻、歐姆接觸、閘極金屬沈積、鈍化層沈積、空氣
橋，完成元件製程制作，並以Aglient 4157 分析其直流特性。元件大小：Lg = 2um、Wg = 100um，LSD
= 10um，其飽和電流及電導值分別為 450mA/mm 及 130mS/mm，崩潰電壓 > 70V。
100M 1G 10G 0 10 20 30 40 50 G a in (dB ) Frequency (Hz) |h21| k MAG U 為了評估元件於高頻下的特性，我們以向量網路分析儀分析元件 0.4~40GHz 的 S 參數，並由此 換算其電流增益|h21|及功率增益 MAG，求得其截止頻率及最大振盪頻率分別為 8GHz 及 17GHz，如 下圖十三所示。 圖十三 AlGaN/AlN/GaN HEMTs 高頻小訊號特性
當元件的閘極線寬縮小至Lg = 0.7um、Wg = 100um，LSD = 5um 時，元件的飽和電流及電導值分
別提高至850mA/mm 及 200mS/mm，其截止頻率及最大振盪頻率亦可有效提高至 33GHz 及 57GHz， 如下圖十四所示。 圖十四 AlGaN/AlN/GaN HEMTs 高頻小訊號特性 0.1 1 10 100 0 10 20 30 40 50 60 Gai n (db) Frequency(GHz) |h21| MSG MAG Vg = -3V, Vd = 15V
除了以向量網路分析儀分析元件的小訊號特性外，並以主動式load-pull 量測系統分析其於 3GHz
下的功率特性，在Vg = -4V，Vd = 50V 下，其最大功率可達 6W/mm，增益為 13db，PAE = 37%。
結論
目前已完成 1. 氮化鎵成長與材料分析 1. 以高解析度 X 光繞射儀配合 Photoluminescence 決定氮化鎵品質 2. 氮化鎵磊晶霍爾量測 2. 氮化鎵/氮化鋁鎵界面成長與特性量測 1. 成長出 AlGaN/GaN 結構 2. 利用高解析度 X 光繞射儀，SEM，AFM 與 TEM 分析磊晶結構與界面品質3. AlGaN/GaN HEMT 結構電子遷移率為 1500 cm2/V-s ，2DEG 載子濃度為 1E+13 cm-2。
3. 氮化鎵/氮化鋁/氮化鋁鎵界面成長 1. 成長氮化鎵/氮化鋁/氮化鋁鎵結構，並以霍爾量測與氮化鎵/氮化鋁鎵結構比較 2. 電子遷移率為 1500 cm2 /V-s ，2DEG 載子濃度為 1.3E+13 cm-2 3. 運用 TEM 分析，最佳化磊晶結構 4. 氮化鎵/氮化鋁/氮化鋁鎵 HEMT 製作量測 1. 氮化鎵/氮化鋁/氮化鋁鎵 HEMT 元件之製作 2. 截止頻率及最大振盪頻率分別為33GHz 及 57GHz 3. 元件高頻功率密度 6W/mm
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