AlInGaN-AlGaN-GaN異質結構的設計與生長.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、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。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結構制成的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結構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基異質結構的了解和將來可能的發(fā)展，晶格不匹配對異質結結構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晶質量以及異質結界面質量，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構，使用AlGaN/GaN結構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生逆壓電作用進而在晶體上產生各種缺陷。產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。通過調節(jié)In組分的含量，層能夠和GaN層之間產生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結構，之后再摻入In組分從而形成AlInGaN/GaN結構，并且通過分析低溫生長的 AlGaN/GaN結構能夠發(fā)現其隨著AlGaN材料生長溫度的降低，無論結晶質量，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結構優(yōu)化的基礎上生長AlInGaN/GaN結構，通過測試及與低溫生長的 AlGaN/GaN結構進行比較可以發(fā)現，雖然 AlInGaN/GaN結構的結晶質量和表面形貌與低溫的AlGaN/GaN結構相比并無改善，因為低溫對它們的生長質量的影響都很嚴重，但是AlInGaN/GaN結構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)極化導致異質結產生了大量的極化電子，而且能夠產生更深的量子阱。
　　2.提出了AlInGaN/AlGaN/GaN結構來改善由于AlInGaN生長質量不佳導致的 AlInGaN/GaN異質結構電學特性下降的問題，并成功進行了AlInGaN/AlGaN/GaN結構的生長，同樣，與普通的AlInGaN/GaN結構相比，由于生長條件基本一致，所以AlInGaN四元合金