AlInGaN-AlGaN-GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的設計與生長.pdf

1、GaN基半導體材料具有很大的禁帶寬度（3.4eV）、非常穩(wěn)定的化學性質(zhì)、很強的抗輻射能力、擊穿電場非常強（5×106V/cm）、很高的電子遷移速率、很大的熱導率以及很小的介電常數(shù)。而且以 AlGaN/GaN為代表的 III族氮化物制成得的HEMT在常溫下的電子遷移率特別高（>1500cm2/Vs），同時產(chǎn)生的2DEG面密度相于比其他的器件遠遠超出（~1×1013cm-2），所以AlGaN/GaN結(jié)構(gòu)制成的HEMT在高溫以及微波功率器件有

2、著很廣泛的應用。傳統(tǒng)的AlGaN/GaN結(jié)構(gòu)增強電學特性的基本方法均為增加AlGaN層的Al比例以及使AlGaN層變厚，但是AlGaN層與GaN晶格不匹配的問題會帶來更嚴重的后果，基于目前對GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)的了解和將來可能的發(fā)展，晶格不匹配對異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)中的不良后果主要有兩個：首先，和GaN材料之間晶格不匹配使得AlGaN勢材料層有很多的由晶格不匹配引起的位錯，會極大降低勢壘層結(jié)晶質(zhì)量以及異質(zhì)結(jié)界面質(zhì)量，并且會很大程度上增大合金無序散射和

3、界面粗糙度，終究會降低器件的電學特性，降低AlGaN/GaN HEMT器件的特性，進而導致器件的可靠性極大降低；二，GaN材料與AlGaN材料均為存在明顯壓電效應的結(jié)構(gòu)，使用AlGaN/GaN結(jié)構(gòu)制備的高電子遷移率器件運行時，在漏極方向的柵極之下有較大電場，從而導致AlGaN材料的部分地方形成一定的應力。再由于嚴重的晶格不匹配，處在應變的AlGaN材料會在高電子遷移率器件運行時產(chǎn)生逆壓電作用進而在晶體上產(chǎn)生各種缺陷。產(chǎn)生的缺陷會在很大程

4、度上導致器件的可靠性降低性及能下降，特別是高電子遷移率器件經(jīng)常處于高壓高溫環(huán)境條件下。
　　使用AlInN材料當做勢壘層取代傳統(tǒng)的AlGaN材料是很好的解決方案。通過調(diào)節(jié)In組分的含量，層能夠和GaN層之間產(chǎn)生a軸晶格的近乎完全匹配。但是在InN和AlN的相圖中存在混溶隙，這導致生長AlInN材料受到了很大的限制，而計算表明AlInGaN四元合金的不穩(wěn)定區(qū)域遠小于 AlInN，不過，要制備獲得高質(zhì)量的AlInGaN外延，當前仍然存

5、在不小的問題，于是本文采用AlInGaN和AlGaN的混合勢壘層來代替常規(guī)的AlInGaN層希望能夠改善由于AlInGaN四元合金材料生長質(zhì)量不佳導致的電學特性下降的問題。
　　本文的主要工作如下：
　　1.首先，優(yōu)化低溫生長AlGaN/GaN結(jié)構(gòu)，之后再摻入In組分從而形成AlInGaN/GaN結(jié)構(gòu)，并且通過分析低溫生長的 AlGaN/GaN結(jié)構(gòu)能夠發(fā)現(xiàn)其隨著AlGaN材料生長溫度的降低，無論結(jié)晶質(zhì)量，表面形貌還是電學特性

6、都有嚴重惡化。接著在低溫生長AlGaN/GaN結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎上生長AlInGaN/GaN結(jié)構(gòu)，通過測試及與低溫生長的 AlGaN/GaN結(jié)構(gòu)進行比較可以發(fā)現(xiàn)，雖然 AlInGaN/GaN結(jié)構(gòu)的結(jié)晶質(zhì)量和表面形貌與低溫的AlGaN/GaN結(jié)構(gòu)相比并無改善，因為低溫對它們的生長質(zhì)量的影響都很嚴重，但是AlInGaN/GaN結(jié)構(gòu)的電學特性有所提高，電子遷移率從約800cm2/Vs變?yōu)槌^1500cm2/Vs。因為相比于AlGaN而言AlInG

7、aN與GaN之間晶格失配的情況要好得多，壓電極化相應會減弱，但更強的自發(fā)極化導致異質(zhì)結(jié)產(chǎn)生了大量的極化電子，而且能夠產(chǎn)生更深的量子阱。
　　2.提出了AlInGaN/AlGaN/GaN結(jié)構(gòu)來改善由于AlInGaN生長質(zhì)量不佳導致的 AlInGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)電學特性下降的問題，并成功進行了AlInGaN/AlGaN/GaN結(jié)構(gòu)的生長，同樣，與普通的AlInGaN/GaN結(jié)構(gòu)相比，由于生長條件基本一致，所以AlInGaN四元合金