中镓半导体：挑战最高GaN体电阻率，开发更高电阻率的半绝缘GaN自支撑衬底

近年来，半绝缘SiC衬底上外延生长的GaN高迁移率晶体管(GaN-on-SiC HEMTs)已广泛应用于微波射频领域的功率放大器电路中，然而由于GaN和SiC晶体之间的晶格失配和热失配，导致GaN外延层中位错密度难以降低，并且需要在界面生长缓冲层以调控应力。基于半绝缘GaN自支撑衬底的GaN高迁移率晶体管(GaN-on-GaN HEMTs)可避免衬底和外延层的热失配和晶格失配，简化外延层结构设计，并且由于GaN-on-GaN外延层较一般GaN-on-SiC外延层的位错密度低3个数量级以上，可使二维电子气(2DEG)沟道处的晶格质量得到极大提高，进一步提高同等条件下二维电子气的迁移率。

图1：二次离子质谱测试C掺杂GaN样品结果

图2：各C掺杂样品的 (a)电阻率和；(b)空穴浓度的温度依存性；(c)碳自补偿率计算用拟合曲线；(d)绝对零度下碳能级计算用拟合曲线

霍尔效应测试结果如图2所示，样品显示p型导电性并且所有样品迁移率均小于3 cm^2/V·s。随着测试温度从315°C升高至560°C，样品的空穴密度从10^12 cm^-3增加至10^16 cm^-3，因此样品的电阻率随之从10^8 Ω·cm降低至10^4 Ω·cm，这个现象说明样品中只有单一的C掺杂能级决定着样品的电性。通过拟合计算，碳掺杂能级在0K时的激活能( EAV(0))为1.148eV。根据第一性原理计算，此能级对应了C原子替代N原子位时的受主能级。

随着C掺杂浓度升高，GaN样品的电阻率不降反升，这种异常现象是由于C掺杂的自补偿导致的，通过计算碳的自补偿率，发现在800sccm乙烯掺杂样品中，空穴几乎被完全中和，因此使霍尔效应测试无法成功测得数值。

利用自补偿效应，C掺杂GaN材料电阻率不仅轻易超过了Fe掺杂GaN材料，也超过了Mn掺杂GaN材料。800sccm乙烯掺杂样品在1000K时电阻率为10^5 Ω·cm，是目前报道的半绝缘GaN材料的达到的最高电阻率值，在相同温度下当前报道的C掺杂GaN最高报道值为2000 Ω·cm，Fe掺杂GaN最高报道值6 x 10^4 Ω·cm。在833K时，800sccm乙烯掺杂的GaN材料电阻率为6 x 10^5 Ω·cm，超过了相同温度下已知的最高Mn掺杂GaN电阻率2 x 10^5 Ω·cm。