基于高溫AIN成核層的GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料生長(zhǎng)研究.pdf

1、GaN基寬禁帶半導(dǎo)體是目前發(fā)展高溫、高頻、大功率電子器件的最重要也是最基本的材料,深受國(guó)際上的關(guān)注。因此,GaN和AlxGa1-xN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的研究已成為當(dāng)前半導(dǎo)體科學(xué)技術(shù)的前沿領(lǐng)域和熱點(diǎn)。本文結(jié)合GaN基異質(zhì)結(jié)材料的MOCVD生長(zhǎng),系統(tǒng)地研究了采用低溫成核層的GaN背景載流子產(chǎn)生機(jī)理,研究了Fe摻雜對(duì)AlGaN/GaN的影響。同時(shí)研究了基于高溫AlN成核層的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)材料的特性以及新型異質(zhì)結(jié)材料生長(zhǎng)。本文主要的

2、工作為:
　　 (1)采用低溫GaN成核層在藍(lán)寶石襯底上進(jìn)行了高質(zhì)量GaN單晶外延薄膜材料的生長(zhǎng)研究。研究了成核層表面形貌對(duì)GaN外延層表面質(zhì)量、晶體質(zhì)量以及AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)電學(xué)特性的影響,研制出高質(zhì)量的GaN外延層以及AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)材料,研究和揭示了成核層的表面形貌對(duì)GaN外延層結(jié)晶質(zhì)量影響的物理機(jī)制。研究了高溫GaN外延層的生長(zhǎng)溫度和厚度對(duì)GaN外延層表面形貌和結(jié)晶質(zhì)量的影響,并對(duì)其物理機(jī)制進(jìn)行了探討。研究

3、了襯底斜切角度對(duì)GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料晶體質(zhì)量、表面形貌以及電學(xué)性能的影響,研究發(fā)現(xiàn)適度的襯底斜切可以顯著改善異質(zhì)結(jié)材料的表面形貌,使得界面粗糙度大幅下降,可顯著提高了異質(zhì)結(jié)材料的載流子遷移率。
　　 (2)針對(duì)藍(lán)寶石襯底GaN外延層中背景載流子的形成機(jī)制和降低背景載流子的方法進(jìn)行了深入研究。通過(guò)對(duì)不同成核層上生長(zhǎng)的GaN外延層進(jìn)行雜質(zhì)元素分析,發(fā)現(xiàn)不同的工藝條件會(huì)對(duì)雜質(zhì)C和O原子濃度產(chǎn)生顯著影響。重點(diǎn)研究了在GaN外延層中進(jìn)行有意

4、的Fe雜質(zhì)摻雜,利用Fe雜質(zhì)的受主陷阱效應(yīng)降低背景載流子,通過(guò)工藝優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了較高電阻率的GaN外延層,同時(shí)分析Fe摻雜對(duì)AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)性能的影響,通過(guò)層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工藝優(yōu)化避免了Fe雜質(zhì)記憶效應(yīng)對(duì)GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料電學(xué)特性的不利影響,最終獲得具有較高電阻率和較高電學(xué)特性的GaN異質(zhì)結(jié)材料。
　　 (3)在藍(lán)寶石襯底上,采用獨(dú)特的高溫AlN成核層進(jìn)行GaN外延材料的生長(zhǎng),深入研究了高溫AlN成核層生長(zhǎng)條件對(duì)AlGaN/Ga

5、N異質(zhì)結(jié)材料的影響。采用創(chuàng)新的間歇供氨生長(zhǎng)方法,實(shí)現(xiàn)了藍(lán)寶石襯底上高質(zhì)量AlN模板的直接生長(zhǎng),進(jìn)而在此基礎(chǔ)上獲得了具有高電學(xué)特性的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)材料。深入研究了高溫AlN成核層上高質(zhì)量GaN外延層的生長(zhǎng)機(jī)制,利用AFM對(duì)高溫AlN的表面分析發(fā)現(xiàn),直接生長(zhǎng)于藍(lán)寶石襯底上的高溫AlN模板表面是由密度極高的錐形結(jié)構(gòu)構(gòu)成,生長(zhǎng)于其上的GaN首先在錐形的側(cè)面進(jìn)行橫向外延,從而降低了GaN的位錯(cuò)密度。
　　 (4)針對(duì)毫米波GaN