N面GaN外延材料生長與背景載流子抑制方法研究.pdf

1、GaN基半導(dǎo)體材料因其在高亮度發(fā)光器件、大功率微波器件以及高壓電力電子器件等方面的應(yīng)用優(yōu)勢,近二十年來在學術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用方面都受到了高度重視。不過,目前幾乎所有的GaN器件應(yīng)用以及大部分學術(shù)研究都是基于Ga極性面的,即(0001)面,有關(guān)N極性面GaN的研究極少,只是在近幾年來受到人們的關(guān)注。N極性面由于極化方向和Ga極性面相反,具有一些明顯優(yōu)于Ga極性面的特性,如N極性面GaN HEMT結(jié)構(gòu)的2DEG限域性更好,歐姆接觸電阻更低,存

2、在天然背勢壘等。為了進一步提高N面GaN外延材料的質(zhì)量,使其早日達到器件應(yīng)用的要求,迫切需要解決的問題包括,一方面在c面藍寶石襯底上生長的N面GaN表面存在大量的六方,采用斜切襯底可以消除表面六方,同時也改善材料質(zhì)量。但是會使得材料的表面形貌變差,表面起伏增加。另一個方面是存在高濃度的背景載流子,這使得異質(zhì)結(jié)無法形成2DEG,載流子的遷移率低。因此本文就改善材料表面形貌和降低背景載流子這兩方面問題進行了深入研究。
　　主要研究成果

3、如下:
　　1、首先研究了影響N面GaN材料質(zhì)量的初期工藝參數(shù)(襯底、氮化和成核層)。主要研究了生長溫度對N面GaN材料質(zhì)量的影響規(guī)律,研究表明,當溫度降低時材料質(zhì)量會出現(xiàn)嚴重退化,但表面形貌會變好,表面起伏會減小。然后,提出了一種插入薄層低溫GaN緩沖層的新方法,不僅使N面GaN材料表面形貌和起伏有很大的改善,而且材料質(zhì)量也獲得了一定的提高。
　　2、分析研究了N面GaN異質(zhì)結(jié)材料的輸運特性,發(fā)現(xiàn)電離雜質(zhì)散射是N面GaN異

4、質(zhì)結(jié)材料電子遷移率較低的主要原因。研究發(fā)現(xiàn),N面GaN異質(zhì)結(jié)電子遷移率隨溫度變化規(guī)律與Ga面不同。N面GaN異質(zhì)結(jié)電子遷移率在低溫段隨著溫度的上升而增大,在高溫段隨著溫度的升高基本保持不變,這主要是由于N面GaN中存在密度較高的背景電子濃度及非故意摻雜電離施主離子,使得電離雜質(zhì)散射成為目前N面GaN材料中的主要散射機制。而與N面不同的是,Ga面GaN異質(zhì)結(jié)電子遷移率隨溫度升高而下降,在低溫段(77K~300K)遷移率下降顯著,而在高溫段

5、(300K~573K)遷移率下降相對緩慢,Ga面GaN異質(zhì)結(jié)中的主要散射機制是晶格振動散射、界面粗糙度散射等。
　　3、通過AlGaN緩沖層的采用以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化,顯著抑制了N面GaN異質(zhì)結(jié)外延材料的背景電子濃度。首先通過對AlGaN緩沖層N面異質(zhì)結(jié)構(gòu)的能帶仿真研究,證實了AlGaN緩沖層抑制背景載流子濃度的有效性。然后采用三種不同結(jié)構(gòu)的AlGaN緩沖層進行N面GaN異質(zhì)結(jié)材料的生長實驗研究,結(jié)果表明,當采用低Al組分AlGaN緩沖層

6、時,N面GaN材料質(zhì)量有所下降,背景載流子的抑制作用不明顯,背景載流子濃度為5.2×1018cm-3;當采用在高溫AlN成核層上直接生長高Al組分的AlGaN緩沖層,N面GaN材料位錯密度明顯降低,室溫電子遷移率由176.51cm2/V·s提高到206.30cm2/V·s,背景電子濃度降低到1.3×1018cm-3;采用Al組分緩變的AlGaN緩沖層時,由于極化摻雜效應(yīng)能夠感生一定濃度的空穴,使得背景電子濃度得到了顯著降低,低達7.9×