GaN基雙異質(zhì)結(jié)構研究.pdf

1、由于在微波、大功率、高溫、高壓等方面具有得天獨厚的優(yōu)勢,GaN基(包括InN、GaN、AlN及其合金)半導體技術近10年來得到了飛速的發(fā)展,特別是AlGaN／GaN HEMT器件得到迅猛發(fā)展,其大功率特性和頻率特性取得巨大的進步。但是傳統(tǒng)AlGaN／GaN單異質(zhì)結(jié)構的限域性不高會對GaN HEMT器件的性能造成多方面的影響,如大信號增益不高、器件高漏壓下夾斷特性不好以及緩沖層存在漏電等。為了解決這些問題,人們提出了GaN雙異質(zhì)結(jié)構。雙異

2、質(zhì)結(jié)構通過引入背勢壘,使得溝道的限域性得到顯著提高,能夠有效抑制短溝道效應,提高大功率應用時的擊穿特性,其優(yōu)良的高溫特性使得器件可以更適用于更高溫的惡劣工作環(huán)境下。本文即在此背景下,對GaN基雙異質(zhì)結(jié)構材料與器件進行了深入研究,主要研究成果如下:
　　 1、基于一維泊松方程自洽求解,對AlxGa1-xN／GaN／AlyGa1-yN／GaN、AlxGa1-xN／GaN／AlyGal-yN和 AlGaN／GaN／InGaN／GaN等

3、三種雙異質(zhì)結(jié)構的載流子分布與能帶結(jié)構進行了模擬仿真,并對結(jié)構參數(shù)進行詳細的優(yōu)化設計。
　　 對于AlxGa1-xN／GaN／AlyGa1-yN／GaN結(jié)構,較高Al組分且較厚背勢壘層會使得GaN／AlGaN界面的勢壘很高,但寄生溝道影響很嚴重。為了消除寄生溝道,我們采用了兩種方法,一是適當降低AlGaN背勢壘層的Al組分和厚度,抑制寄生溝道的形成,二是采用Al組分漸變AlGaN背勢壘層,靠近主溝道一側(cè)Al組份高一些,越遠離溝道A

4、lGaN背勢壘層的Al組份越低,直至將為0,這樣可以同時實現(xiàn)較高背勢壘和弱寄生溝道。
　　 對于AlxGa1-xN／GaN／AlyGal-yN結(jié)構,直接采用.AlGaN作為緩沖層,所以不會產(chǎn)生寄生溝道,背勢壘的高度隨著AlGaN緩沖層的Al組分增大而增大。由于AlGaN緩沖層上生長的GaN溝道層會存在壓應變。該壓應變GaN溝道層有效減弱了AlGaN頂勢壘層的張應變,使得頂勢壘層的應變弛豫度顯著下降,不過由于壓電極化效應的減弱,2

5、DEG面密度會有所下降。
　　 對于AlGaN／GaN／InGaN／GaN結(jié)構,雖然InGaN禁帶寬度比GaN小,但是InGaN層中的強壓電極化將InGaN背勢壘拉高,而GaN與InGaN之間的失配產(chǎn)生了寄生溝道,但是寄生溝道中的電子很容易流向主溝道,從而增加勢阱中的2DEG密度。
　　 2、基于模擬仿真優(yōu)化設計得到的GaN雙異質(zhì)結(jié)構,采用MOCVD生長方法,成功地生長出包括AlGaN插入層背勢壘、AlGaN Buffe

6、r背勢壘以及InGaN插入層背勢壘等三種GaN雙異質(zhì)結(jié)構材料,并通過AFM、XRD、CV、Hall和PL等表征手段對不同異質(zhì)結(jié)構材料進行了詳細的性能表征和分析。
　　 從AFM測試結(jié)果可知,背勢壘層和溝道層之間晶格匹配嚴重的話,會影響材料的表面形貌。AlxGa1-xN／GaN／AlyGa1-yN／GaN結(jié)構(背勢壘Al組分y為10％)和AlGaN／GaN／InGaN／GaN結(jié)構會使材料的表面粗糙度變大。
　　 只有Al0

7、.3Ga0.7N／GaN／Al0.1Ga0.9N／GaN結(jié)構材料的 CV測試曲線中出現(xiàn)雙平臺現(xiàn)象。所以AlxGa1-xN／GaN／AlyGa1-yN(y從0.1到0漸變)／GaN結(jié)構、AlxGa1-xN／GaN／AlyGa1-yN結(jié)構和AlGaN／GaN／InGaN／GaN結(jié)構都可有效地抑制寄生溝道。
　　 從Hall測試結(jié)果中發(fā)現(xiàn)當面密度不高時,雙異質(zhì)結(jié)構材料的限域性提高,迫使2DEG向界面移動,使得界面粗糙度散射和合金無序變

8、得重要,導致了雙異質(zhì)結(jié)構的遷移率略低于單異質(zhì)結(jié)構的。當面密度提高后,無論哪種雙異質(zhì)結(jié)構材料,2DEG都很靠近界面,都受到界面粗糙度散射和合金無序散射,但是因為單異質(zhì)結(jié)構材料的限域性很差,電子容易溢出成為3D電子,所以其遷移率最低。
　　 3、通過器件的制備與測試,對雙異質(zhì)結(jié)構常溫下HEMT的轉(zhuǎn)移特性,高溫特性及擊穿特性進行了初步研究并與AlGaN／GaN單異質(zhì)結(jié)構的特性對比。
　　 因為雙異質(zhì)結(jié)構HEMT的二維電子氣限域