论文摘要
由于在微波、大功率、高温、高压等方面具有得天独厚的优势，GaN基（包括InN、GaN、AlN及其合金）半导体技术近10年来得到了飞速的发展，特别是AlGaN/GaN HEMT器件得到迅猛发展，其大功率特性和频率特性取得巨大的进步。但是传统AlGaN/GaN单异质结构的限域性不高会对GaN HEMT器件的性能造成多方面的影响，如大信号增益不高、器件高漏压下夹断特性不好以及缓冲层存在漏电等。为了解决这些问题，人们提出了GaN双异质结构。双异质结构通过引入背势垒，使得沟道的限域性得到显著提高，能够有效抑制短沟道效应，提高大功率应用时的击穿特性，其优良的高温特性使得器件可以更适用于更高温的恶劣工作环境下。本文即在此背景下，对GaN基双异质结构材料与器件进行了深入研究，主要研究成果如下：1、基于一维泊松方程自洽求解，对AlxGa1-xN/GaN/AlyGa1-yN/GaN、AlxGa1-xNGaN/AlyGa1-yN和AlGaN/GaN/InGaN/GaN等三种双异质结构的载流子分布与能带结构进行了模拟仿真，并对结构参数进行详细的优化设计。对于AlxGa1-xN/GaN/AlyGa1-yN/GaN结构，较高Al组分且较厚背势垒层会使得GaN/AlGaN界面的势垒很高，但寄生沟道影响很严重。为了消除寄生沟道，我们采用了两种方法，一是适当降低AlGaN背势垒层的Al组分和厚度，抑制寄生沟道的形成，二是采用Al组分渐变AlGaN背势垒层，靠近主沟道一侧Al组份高一些，越远离沟道AlGaN背势垒层的Al组份越低，直至将为0，这样可以同时实现较高背势垒和弱寄生沟道。对于AlxGa1-xN/GaN/AlyGa1-yN结构，直接采用AlGaN作为缓冲层，所以不会产生寄生沟道，背势垒的高度随着AlGaN缓冲层的Al组分增大而增大。由于AlGaN缓冲层上生长的GaN沟道层会存在压应变。该压应变GaN沟道层有效减弱了AlGaN顶势垒层的张应变，使得顶势垒层的应变弛豫度显著下降，不过由于压电极化效应的减弱，2DEG面密度会有所下降。对于AlGaN/GaN/InGaN/GaN结构，虽然InGaN禁带宽度比GaN小，但是InGaN层中的强压电极化将InGaN背势垒拉高，而GaN与InGaN之间的失配产生了寄生沟道，但是寄生沟道中的电子很容易流向主沟道，从而增加势阱中的2DEG密度。2、基于模拟仿真优化设计得到的GaN双异质结构，采用MOCVD生长方法，成功地生长出包括AlGaN插入层背势垒、AlGaN Buffer背势垒以及InGaN插入层背势垒等三种GaN双异质结构材料，并通过AFM、XRD、CV、Hall和PL等表征手段对不同异质结构材料进行了详细的性能表征和分析。从AFM测试结果可知，背势垒层和沟道层之间晶格匹配严重的话，会影响材料的表面形貌。AlxGa1-xN/GaN/AlyGa1-yN/GaN结构（背势垒Al组分y为10%）和AlGaN/GaN/InGaN/GaN结构会使材料的表面粗糙度变大。只有Al0.3Ga0.7N/GaN/Al0.1Ga0.9N/GaN结构材料的CV测试曲线中出现双平台现象。所以AlxGa1-xN/GaN/AlyGa1-yN （y从0.1到0渐变）/GaN结构、AlxGa1-xN/GaN/AlyGa1-yN结构和AlGaN/GaN/InGaN/GaN结构都可有效地抑制寄生沟道。从Hall测试结果中发现当面密度不高时，双异质结构材料的限域性提高，迫使2DEG向界面移动，使得界面粗糙度散射和合金无序变得重要，导致了双异质结构的迁移率略低于单异质结构的。当面密度提高后，无论哪种双异质结构材料，2DEG都很靠近界面，都受到界面粗糙度散射和合金无序散射，但是因为单异质结构材料的限域性很差，电子容易溢出成为3D电子，所以其迁移率最低。3、通过器件的制备与测试，对双异质结构常温下HEMT的转移特性，高温特性及击穿特性进行了初步研究并与AlGaN/GaN单异质结构的特性对比。因为双异质结构HEMT的二维电子气限域性提高，所以相比于常规单异质结构HEMT，其阈值偏移的现象不明显，亚阈电流和关态漏电流都很小。高温CV特性测试结果证明，即使在高温下，双异质结构HEMT的缓冲层漏电都是很小的。所以其迁移率不会受到低迁移率背景电子的影响，在高温下，双异质结构HEMT器件特性不会出现单异质结构HEMT器件的性能退化严重的问题。良好的沟道限域性使得GaN双异质结构HEMT器件的击穿电压大幅度地提高。