AlInGaN/GaN HFET结构材料设计与生长技术研究

论文摘要

AlInGaN四元合金具有独立控制禁带宽度(能带)和晶格常数(应变)的特性,利用这一特性可将异质结构的应变工程和能带工程发挥到最佳,从而实现性能更为出色的异质结构材料和微波功率器件。因此,AlInGaN/GaN异质结构材料和器件成为当前研究的前沿领域和热点。本论文较早地在国内开展了含In氮化物用于GaN基HFET结构的理论和实验研究。主要研究结果如下:1、系统地研究了AlInGaN/GaN异质结构能带工程和应变工程的理论和设计方法,基于AlInGaN/GaN的材料物理模型,重点研究了晶格匹配、禁带宽度匹配和极化强度匹配的AlInGaN/GaN异质结构。2、利用MOCVD生长技术,深入地研究了高质量GaN外延层生长方法、InGaN和AlInGaN薄膜高温生长方法。通过生长工艺参数的调整与优化,获得可用于生长AlInGaN/GaN异质结构材料的高质量AlInGaN薄膜。3、利用MOCVD生长获得了AlGaN/InGaN/GaN(InGaN沟道)异质结构和AlInGaN/GaN异质结构,通过多种分析手段对上述两种结构的材料和常规AlGaN/GaN异质结构进行了深入的比较研究,实验表明,AlInGaN/GaN异质结构拥有更出色的特性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 GaN基半导体材料的优势及研究意义
• 1.2 AlGaN/GaN异质结构材料的研究及问题
• 1.3 AlInGaN/GaN异质结构材料的研究及现状
• 1.4 本论文的研究内容和安排
• 第二章 AlInGaN/GaN异质结构的理论分析与设计
• 2.1 AlInGaN/GaN异质结构分析的物理模型
• 2.1.1 AlIn（Ga）N三元（四元）合金的物理参数模型
• 2.1.2 AlIn（Ga）N/GaN异质结构中二维电子气面电子密度的解析模型
• 2.1.3 AlIn（Ga）N/GaN异质结构能带和载流子分布的数值计算模型
• 2.2 AlInGaN/GaN异质结构的仿真结果
• 2.2.1 AlIn（Ga）N三元和四元合金的性质
• 2.2.2 晶格匹配的AlInGaN/GaN异质结构
• 2.2.3 禁带宽度匹配的AlInGaN/GaN异质结构
• 2.2.4 极化强度匹配的AlInGaN/GaN异质结构
• 2.2.5 三种匹配异质结构的比较
• 2.3 AlGaN/GaN异质结构的极化工程
• 2.3.1 AlGaN/GaN结构
• 2.3.2 GaN/AlGaN/GaN结构
• 2.3.3 AlGaN/GaN/AlGaN/GaN结构
• 2.3.4 AlGaN/InGaN/GaN结构
• 2.4 适合HFET器件的AlInGaN/GaN异质结构
• 第三章 AlInGaN四元合金的MOCVD生长技术研究
• 3.1 AlInGaN四元合金生长问题
• 3.2 MOCVD技术介绍和衬底选择
• 3.3 GaN外延层的MOCVD生长
• 3.3.1 蓝宝石衬底低温AlN成核层厚度对GaN薄膜质量的影响
• 3.3.2 蓝宝石衬底低温AlN成核层生长温度对GaN薄膜质量的影响
• 3.4 InGaN的高温生长
• 3.5 AlInGaN的生长
• 3.5.1 AlInGaN合金的表征
• 3.5.2 AlInGaN合金的XRD结构分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 AlInGaN/GaN异质结构材料生长技术研究
• 4.1 常规AlGaN/GaN HFET异质结构
• 4.2 InGaN沟道HFET异质结构
• 4.3 AlInGaN/GaN HFET异质结构的电学特性
• 4.4 AlInGaN/GaN HFET异质结构的XRD和AFM分析
• 4.5 AlInGaN/GaN HFET结构的界面态密度分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 研究成果