基于應(yīng)力調(diào)控的硅基氮化鎵材料和器件研究.pdf

1、近年來，Si基GaN材料及器件研宄的關(guān)注度越來越高。Si基GaN材料具有兩方面的主要優(yōu)勢(shì)：一方面是源于Si基襯底材料。Si襯底具有成本低、尺寸大的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)自身的熱導(dǎo)率較好，并且與傳統(tǒng)的Si器件工藝兼容性好，基于以上的優(yōu)勢(shì)，Si基材料一直都被研宄人員所看好。另一方面，GaN材料禁帶寬，擊穿電場(chǎng)高，熱導(dǎo)率高以及抗輻照能力強(qiáng)等特點(diǎn)使得GaN材料成為制作高頻大功率、耐高溫、抗高壓以及抗輻照電子器件以及光電子器件的理想材料。但是由于Si襯底與G

2、aN外延層之間存在著較大的晶格失配和熱失配，所以Si襯底上GaN外延層中受到很強(qiáng)的張應(yīng)力，甚至材料表面容易出現(xiàn)裂紋，這是制約硅基GaN技術(shù)的重要難題之一。同時(shí)AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)和HEMT器件性能在很大程度上得益于其材料體系內(nèi)部的自發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)，外延薄膜中的應(yīng)力會(huì)對(duì)器件性能造成顯著影響。因此本文圍繞應(yīng)力對(duì)硅基GaN材料和器件的影響，一方面通過硅基GaN材料生長(zhǎng)方法的研宄希望能夠降低GaN外延薄膜的張應(yīng)力，另一方面通過施加外

3、部應(yīng)力，深入研宄應(yīng)力對(duì)Si基GaN HEMT器件性能的影響。本文的具體工作及結(jié)論如下：
　　1.針對(duì)硅基GaN外延材料應(yīng)力過大和裂紋問題，通過改進(jìn)應(yīng)力調(diào)控過渡層的結(jié)構(gòu)，有效抑制了裂紋和應(yīng)力，并顯著提高了硅基GaN材料的質(zhì)量。首先對(duì)傳統(tǒng)由生長(zhǎng)程序生長(zhǎng)的樣品，進(jìn)行表面形貌表征，結(jié)晶質(zhì)量表征，發(fā)現(xiàn)材料結(jié)構(gòu)中的AlN成核層以及AlGaN緩沖層對(duì)GaN外延層的影響較大。所以，本文對(duì)成核層采用在藍(lán)寶石襯底上進(jìn)行優(yōu)化過的三步法生長(zhǎng)方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，

4、即高溫A1N+低溫A1N+高溫AlN結(jié)構(gòu)。同時(shí)為了減小生長(zhǎng)中的晶格失配問題，本文設(shè)計(jì)加入兩層變鋁組分的AlGaN緩沖層結(jié)構(gòu)，即高鋁組分的Alo.5Gao.5N層與低鋁組分的Alo.25Gao.75N進(jìn)行兩步法生長(zhǎng)。并對(duì)生長(zhǎng)獲得的Si基GaN異質(zhì)結(jié)材料進(jìn)行材料表征對(duì)比分析。我們發(fā)現(xiàn)采用新結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)的Si基GaN材料表面沒有裂紋的出現(xiàn)，說明由于失配導(dǎo)致的應(yīng)力被有效的緩解釋放了。同時(shí)，與樣品A對(duì)比，設(shè)計(jì)生長(zhǎng)的樣品B的螺位錯(cuò)密度下降了一個(gè)數(shù)量級(jí)，

5、刃位錯(cuò)密度下降了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。通過TEM的表征，發(fā)現(xiàn)位錯(cuò)主要煙滅在變鋁組分的AlGaN緩沖層，說明漸變Al組分的AlGaN緩沖層可以有效降低Si基GaN材料內(nèi)的位錯(cuò)。
　　2.研制出Si基GaN異質(zhì)結(jié)材料MIS-HEMT器件樣品，并對(duì)器件的直流特性和界面特性進(jìn)行了深入分析研宄。對(duì)MIS-HEMT器件的性能進(jìn)行表征，主要對(duì)器件的歐姆接觸特性、輸出特性、轉(zhuǎn)移特性以及柵的MIS電容特性進(jìn)行表征分析。并通過C-V曲線計(jì)算獲得器件的界面態(tài)密度

6、。
　　3.通過應(yīng)力施加臺(tái)對(duì)器件施加不同程度的機(jī)械應(yīng)力，并對(duì)不同應(yīng)力下的器件特性進(jìn)行測(cè)試。首先，通過拉曼測(cè)試發(fā)現(xiàn)，隨著應(yīng)力的增大，GaN外延層的拉曼峰位發(fā)生紅移，說明GaN材料受到的張應(yīng)力增大了。隨后，通過對(duì)不同應(yīng)力下的器件特性對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)隨著外加應(yīng)力的增大，器件的飽和漏電流逐漸增大，載流子的濃度也隨著外加應(yīng)力的增大而增大，而界面態(tài)密度卻沒有發(fā)生明顯的變化。對(duì)比結(jié)果說明，由于界面態(tài)密度沒有明顯變化，所以二維電子氣的增加主要是由于