AlGaN/GaN异质结的C-V特性研究

摘要

近年来,作为第三代半导体的代表,氮化镓(GaN)因广阔的应用前景而备受关注。商业化GaN基蓝光发光二极管(LED)和激光器(LD)的出现,吸引了更多科研机构和企业转向GaN基半导体器件的研发和生产上。其中,AlGaN/GaN异质结基HEMT是新型的微波功率器件,与传统的微波功率器件相比,更适应于高温环境,更能满足高频、高电压和大功率的需要,将是下一代无线通信系统功率放大器的核心元件。
　　而高性能的器件是以高质量的材料为基础的。虽然在蓝宝石和碳化硅衬底上成功生长出了高质量的GaN基外延层,并且实现了LED等光电子器件的商业化,但是在选取合适的衬底材料上仍然存在着诸多困难。比如,在Si衬底上直接生长GaN基外延层会出现裂纹;很难生长厚度超过1.5mmGaN基外延层;生长AlGaN/GaN HEMT必须要求GaN基外延层厚度在2mm-2.5mm之间,但是在硅衬底上很难生长这么厚GaN基外延层,而且AlGaN/GaN的二维电子气与垒层厚度及Al组份的关系不是很清楚,本论文针对这些问题做了相关研究,主要研究如下:
　　1、为了解决裂纹问题,在Si(111)衬底上插入 AlN缓冲层,探讨了AlN缓冲层生长的温度和厚度对GaN外延层的影响。1)研究了低温(800℃)AlN缓冲层生长的厚度对外延层的影响。通过对样品进行HR-XRD、AFM等表征发现,LT-AlN缓冲层的厚度为30nm时,对应晶体质量最高的GaN外延层样品。2)研究了高温(~1060℃)AlN缓冲层的厚度对GaN外延层的影响,结果表明最好的GaN外延层样品对应HT-AlN缓冲层的厚度为300nm。
　　2、为实现在2英寸的Si(111)衬底上外延生长出厚度超过1.5mm无裂纹的高质量GaN外延层,除了生长AlN缓冲层外,引入三层LT-AlN中间内插层来消除应力,减少位错。
　　3、为了研究异质界面的2DEG与AlGaN垒层的厚度和Al组分等参数的关系,在蓝宝石上生长AlGaN/GaN异质结,为提高2DEG的面密度,在异质结界面处引入很薄的一层AlN阻挡层,以更好地局域化异质界面处的二维电子气(2DEG),减小散射几率。表征发现当AlGaN垒层厚度超过20nm以上,2DEG对Al组分效应更敏感。通过适当调整Al组分和AlGaN垒层厚度,可以得到符合要求的AlGaN/GaN基HEMT夹断电压和阈值电压。实验得到的值与理论模拟相一致的结果,为优化AlGaN/GaN基HEMT的性能参数提供了一个有效的方法。

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第1章 绪 论

1.1 GaN在光学和电学设备上的应用

1.2 本论文研究意义

1.3 本论文的内容

第2章 实验仪器及测试原理

2.1 MOCVD简介

2.2 结构测试仪器

2.3 电学测试仪器

2.4 本章小结

第3章 AlGaN/GaN异质结生长背景和AlGaN/GaN间2DEG产生机理

3.1 外延生长

3.2 GaN材料的选择

3.3 衬底的选择

3.4 Si衬底上生长AlGaN/GaN异质结的难点

3.5 Si衬底上GaN外延层的两步生长法

3.7 二维电子气的产生机理

3.8 极化对二维电子气的影响

3.9 本章小结

第4章 Si衬底上生长GaN外延层

4.1 低温AlN(LT-AlN)缓冲层生长方案

4.2 高温AlN(HT-AlN)缓冲层生长方案

4.3 多次LT-AlN 插入生长大厚度的GaN外延层

4.4 本章小结

第5章 蓝宝石上生长AlGaN/GaN异质结的C-V特性

5.1 AlGaN/GaN 异质结的生长

5.2 实验过程

5.3 结果与讨论

5.4 本章小结

第6章 结 论

6.1 本论文工作总结

6.2 实验展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表论文