AlInN/GaN异质结薄膜生长和双沟道HEMT电学特性研究

论文摘要

III-V族氮化物作为具有广阔应用前景的第三代半导体材料,近年来成为半导体光电子学和微电子学研究的热点。在这些III-V族氮化物中Al1-xInxN材料又成为这些研究中的一个重点。当In含量为0.160.18时,AlInN与GaN形成晶格匹配的（LM）异质结。由于无残余应力、强自发极化和高稳定性等优势,LM AlInN/GaN异质结在高电子迁移率管（HEMT）应用中取得了优异的成绩。然而,LM AlInN/GaN HEMT在实际应用中还存在电子迁移率较低和跨导线性区较小等问题,同时AlInN薄膜的生长中也存在组分不均匀的问题。为了解决这些问题,本论文开展了AlInN材料生长机制研究与晶体质量优化、新型AlInN/GaN HEMT的设计和新型器件的性能分析三方面研究工作,为进一步提高AlInN/GaN HEMT的电学特性提供了实验和理论基础。本论文首先研究了在GaN缓冲层上采用金属有机物化学气相沉积（MOCVD）方法制备的AlInN薄膜中纵向组分不均匀现象的产生机制。研究发现,在AlInN的生长初始阶段形成的是高Al组分的薄膜,导致AlInN薄膜表面的In过量以至形成一些大小均匀的纳米级In滴。这些In滴在材料生长过程中增加了表面瞬态In的浓度,进而提高AlInN中In含量。在AlInN薄膜生长过程中,In滴密度呈现先增大后减小的变化趋势,导致薄膜中In含量随厚度产生相应的波动。所以,MOCVD制备的AlInN薄膜中纵向组分不均匀现象产生的原因是其表面In滴的影响。为了获得组分均匀并且与GaN晶格匹配的AlInN薄膜,本论文又研究了生长条件对In滴和AlInN晶体质量的影响。通过优化生长条件,降低生长速率,成功地抑制In滴产生。以此为基础继续优化生长条件,研究发现氢气浓度和生长温度的升高都会导致In结合效率的降低,增加V/III比会导致薄膜生长速率的下降,也会降低In结合效率。随着In组分偏离0.18,AlInN材料的表面粗糙度和位错密度迅速增加。最后,通过优化生长条件,获得当生长温度为790℃,V/III （NH3:TMAl:TMIn）为500:20:200时,可以制备与GaN晶格匹配的高质量AlInN薄膜。本文在深入地研究了AlInN/GaN异质结中电子运动规律基础上,设计了具有高电子迁移率、低面电阻和高面电阻均匀性的新型双沟道AlInN/GaN异质结。在室温条件下AlInN/GaN异质结中限制高密度二维电子气（2DEG）电子迁移率的主要因素是界面粗糙度散射和极化光学声子散射,它们限制作用随着沟道中2DEG面密度的减小而减弱。为了提高电子迁移率,同时保持总的2DEG密度不变,本论文设计了一种新型双沟道（D-C）AlInN/GaN HEMT,其结构为AlInN/AlN/GaN/AlN/GaN。这种异质结中的2DEG分布在上下两个电子沟道中,由于每个沟道中面电子密度的降低而电子迁移率的提高,所以导致D-C AlInN/GaN异质结同时具有高电子迁移和低面电子密度的双重优点。研究还发现,在传统单沟道（S-C） AlInN/GaN异质结中,AlN/GaN异质结界面平整度的不均匀影响了面电阻的大面积均匀性。然而,在D-C AlInN/GaN异质结中由于对2DEG空间分布的有效调控,减弱了界面粗糙的影响,从而获得面电阻分布均匀的AlInN/GaN异质结。最终经过结构优化,D-C AlInN/GaN异质结的迁移率提高到1570cm2/Vs,面电阻降低到222?/sq,同时面电阻的标准偏差仅为0.7%。利用前面材料生长技术,本论文制备了设计结构的D-C AlInN/GaN HEMT。结合器件的模拟和实验结果,深入地分析了该器件的I-V特性。模拟结果显示D-C AlInN/GaN HEMT具有良好的栅可控性,在上下两个沟道中上沟道中2DEG表现了更好的栅可控性。与S-C AlInN/GaN HEMT相比, D-C AlInN/GaN HEMT的跨导输出特性可以出现两个极值点,同时夹断电压绝对值也增大。实验结果表明,D-C AlInN/GaN HEMT在栅极电压为5V时,最大值输出电流为980mA/mm。夹断电压为-6.2V,并且显示了很好的夹断特性。在栅极电压为-4V和-2V,分别出现了两个跨导极大点。在未钝化的D-C AlInN/GaN HEMT中,在大的栅极偏压和漏极偏压下,I-V输出特性出现了明显的电流崩塌。研究进一步表明,上沟道对应的输出电流更易于产生电流崩塌,而下沟道对应的输出电流崩塌较小。综上所述,论文在成功制备高质量LM AlInN/GaN薄膜的基础上,设计和制备了D-C AlInN/GaN HEMT。D-C HEMT具有高电子迁移率和宽跨导线性区的特性,有效克服S-C AlInN/GaN HEMT作为微波功率器件应用时存在的相应问题。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 氮化物的发展历史
• 1.2 GaN 基HEMT 的概况
• 1.3 氮化物的基本性质
• 1.4 AlInN 材料生长及In 在氮化物生长中作用
• 1.4.1 MOCVD 方法制备InN 和AlN 薄膜
• 1.4.2 AlInN 材料的生长
• 1.4.3 In 在氮化物生长中作用
• 1.5 LM AlInN 材料的应用
• 1.5.1 分布布拉格反射镜和微腔
• 1.5.2 量子阱结构的光电器件
• 1.5.3 HEMT
• 1.6 选题的意义和主要内容
• 第2章 样品制备和试验方法
• 2.1 MOCVD 生长方法
• 2.1.1 MOCVD 生长系统
• 2.1.2 MOCVD 生长原理
• 2.2 样品的制备与测试
• 2.2.1 样品的制备
• 2.2.2 非接触式霍尔
• 2.2.3 磁输运
• 2.2.4 双晶X 射线（DCXRD）
• 2.2.5 XRD 倒易空间图（RSM）
• 2.2.6 原子力显微镜（AFM）
• 2.2.7 透射电镜（TEM）和扫描电镜（SEM）
• 2.2.8 二次离子发射谱（SIMS）和X 射线光电子谱（XPS）
• 2.3 器件制备和测试
• 第3章 AlInN/GaN 异质结材料的生长
• 3.1 AlInN 中纵向组分不均匀现象
• 3.2 AlInN 中纵向组分不均匀的产生机制
• 3.2.1 表面形貌随厚度的演化
• 3.2.2 确定表面纳米岛的组分
• 3.2.3 表面形貌对In 滴密度的影响
• 3.2.4 In 滴形成机制及对组分不均匀影响
• 3.3 AlInN 薄膜晶体质量的优化
• 3.3.1 生长速率对AlInN 薄膜的影响
• 3.3.2 H2 对AlInN 薄膜的影响
• 3.3.3 生长温度对AlInN 薄膜的影响
• 3.3.4 V/III 对AlInN 薄膜的影响
• 3.4 高质量LM AlInN/GaN 薄膜
• 3.5 本章小结
• 第4章 双沟道AlInN/GaN HEMT 的理论设计和器件模拟
• 4.1 GaN 基异质结中电子迁移率的计算
• 4.1.1 波尔兹曼方程
• 4.1.2 Fermi’s Golden 法则
• 4.1.3 半导体中电子迁移率的计算
• 4.1.4 二维电子气的散射机制
• 4.1.5 计算结果与实验结果的比较
• 4.2 AlInN/GaN 异质结中散射机制的研究
• 4.2.1 合金无序化散射的影响
• 4.2.2 界面粗糙度的影响
• 4.2.3 面电子浓度的影响
• 4.3 AlInN/GaN 双异质结构的设计
• 4.3.1 异质结能带模型的建立
• 4.3.2 双沟道AlInN/GaN HEMT 的理论设计
• 4.4 双沟道AlInN/GaN HEMT 的模拟
• 4.4.1 模型建立
• 4.4.2 直流I-V 特性
• 4.4.3 栅压对沟道中2DEG 的调控
• 4.5 本章小结
• 第5章 双沟道AlInN/GaN HEMT 的制备和I-V 输出特性研究
• 5.1 双沟异质结的制备和电学性能分析
• 5.1.1 结构表征
• 5.1.2 电学性能表征
• 5.2 提高大面积均匀性
• 5.3 双沟道AlInN/GaNHEMT 电流输出特性的研究
• 5.3.1 直流I-V 输出特性
• 5.3.2 动态I-V 输出特性
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历