复合缓冲层GaN基异质结构材料与器件研究

摘要

GaN基高电子迁移率晶体管（HEMTs）凭借高击穿电压、高电流密度、高热稳定性等优点被学术界和工业界广泛关注，在宽禁带半导体领域始终发挥着重要的作用。自2014年GaN基高亮度蓝光LED获得诺贝尔物理学奖之后，这种新型化合物半导体更是被大众所熟知。虽然GaN材料在高温下的性质稳定，但是对AlGaN/GaN单异质结构来说，异质界面处的2DEG却对温度极其敏感，高温下量子阱中的载流子会有较大概率从阱中溢出进入缓冲层，导致器件的电学特性退化。而对于插入背势垒的双异质结构来说，较高的沟道底势垒能极大的改善载流子的限域性，有效的抑制2DEG的溢出，进而减弱器件高温下电学特性的退化。因此对于AlGaN/GaN/AlGaN/GaN双异质结构，背势垒及缓冲层的设计生长能够直接影响异质结构和器件的特性。
　　本研究主要内容包括：⑴通过自洽求解1D Schrodinger-Poisson方程对缓冲层分别为 AlGaN/GaN， AlGaN和 InGaN的三种 GaN基双异质结构进行能带结构及2DEG分布仿真。对AlxGa1-xN/GaN/AlyGa1-yN/GaN、AlxGa1-xN/GaN/AlyGa1-yN、AlGaN/GaN/InGaN/GaN三种GaN基异质结构分析各自的机理与优缺点。⑵采用MOCVD方法外延得到缓冲层分别为300 nm AlxGa1-xN(x=0~0.07)/1500 nm GaN（样品A），300 nm Al0.07Ga0.93N/1000 nm AlxGa1-x(x=0~0.07)（样品B）和AlxGa1-xN(x=0.3~0)/1000 nm AlxGa1-xN(x=0.9，0.7，0.5，0.3)（样品C）的三种GaN基异质结构。其中样品A和样品B使用Sapphire衬底，样品C使用Si衬底。⑶对样品B与样品C进行HEMTs制备并测试分析。直流测试得到使用300 nm Al0.07Ga0.93N/1000 nm缓冲层的样品B常温下饱和漏电流达到774 mA/mm，高温下饱和漏电流退化了35％，漏致势垒降低系数为16 mV/V，而使用AlxGa1-xN(x=0.3~0)/1000 nm AlxGa1-xN复合缓冲层的样品C漏电流退化达到44％，漏致势垒降低系数达到39 mV/V。同时样品B器件的肖特基栅漏电和饱和漏电流在高温下均显示出较强的稳定性，这是因为复合缓冲层结构提高了异质结构的晶体质量，增强了2DEG限域性，在高温下载流子迁移率和2DEG浓度表现的更为稳定，使器件更适合在高温、高压环境和毫米波、大功率领域应用。

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第一章 绪论

1.1常规GaN基异质结构材料以及HEMTs的研究进展

1.2 GaN基双异质结及其HEMTs的研究进展及研究意义

1.3本文研究内容及安排

第二章基异质结构的理论基础

2.1 GaN基异质结构相关物理理论

2.2 GaN基异质结构仿真研究

2.3 GaN基异质结材料中的散射机制

2.4本章总结

第三章 复合缓冲层GaN基异质结构生长及表征

3.1复合缓冲层GaN基异质结构设计与生长

3.2复合缓冲层GaN基异质结构材料表征

3.3 Si基GaN异质结构层间应力及镶嵌结构研究

3.4本章总结

第四章 复合缓冲层GaN基双异质结构器件特性研究

4.1复合缓冲层GaN基异质结构HEMTs的制备

4.2 AlGaN/GaN双异质结构常温直流特性

4.3 AlGaN/GaN双异质结构高温直流特性

4.4本章总结

第五章 结束语

参考文献

致谢

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