AlGaN/GaN异质结的C-V特性研究

论文摘要

近年来,作为第三代半导体的代表,氮化镓（GaN）因广阔的应用前景而备受关注。商业化GaN基蓝光发光二极管（LED）和激光器（LD）的出现,吸引了更多科研机构和企业转向GaN基半导体器件的研发和生产上。其中,AlGaN/GaN异质结基HEMT是新型的微波功率器件,与传统的微波功率器件相比,更适应于高温环境,更能满足高频、高电压和大功率的需要,将是下一代无线通信系统功率放大器的核心元件。而高性能的器件是以高质量的材料为基础的。虽然在蓝宝石和碳化硅衬底上成功生长出了高质量的GaN基外延层,并且实现了LED等光电子器件的商业化,但是在选取合适的衬底材料上仍然存在着诸多困难。比如,在Si衬底上直接生长GaN基外延层会出现裂纹;很难生长厚度超过1.5?m GaN基外延层;生长AlGaN/GaN HEMT必须要求GaN基外延层厚度在2?m-2.5?m之间,但是在硅衬底上很难生长这么厚GaN基外延层,而且AlGaN/GaN的二维电子气与垒层厚度及Al组份的关系不是很清楚,本论文针对这些问题做了相关研究,主要研究如下:1、为了解决裂纹问题,在Si（111）衬底上插入AlN缓冲层,探讨了AlN缓冲层生长的温度和厚度对GaN外延层的影响。1)研究了低温（800?C） AlN缓冲层生长的厚度对外延层的影响。通过对样品进行HR-XRD、AFM等表征发现,LT-AlN缓冲层的厚度为30nm时,对应晶体质量最高的GaN外延层样品。2)研究了高温（1060?C）AlN缓冲层的厚度对GaN外延层的影响,结果表明最好的GaN外延层样品对应HT-AlN缓冲层的厚度为300nm。2、为实现在2英寸的Si（111）衬底上外延生长出厚度超过1.5?m无裂纹的高质量GaN外延层,除了生长AlN缓冲层外,引入三层LT-AlN中间内插层来消除应力,减少位错。3、为了研究异质界面的2DEG与AlGaN垒层的厚度和Al组分等参数的关系,在蓝宝石上生长AlGaN/GaN异质结,为提高2DEG的面密度,在异质结界面处引入很薄的一层AlN阻挡层,以更好地局域化异质界面处的二维电子气（2DEG）,减小散射几率。表征发现当AlGaN垒层厚度超过20nm以上,2DEG对Al组分效应更敏感。通过适当调整Al组分和AlGaN垒层厚度,可以得到符合要求的AlGaN/GaN基HEMT夹断电压和阈值电压。实验得到的值与理论模拟相一致的结果,为优化AlGaN/GaN基HEMT的性能参数提供了一个有效的方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 GaN 在光学和电学设备上的应用
• 1.2 本论文研究意义
• 1.3 本论文的内容
• 第2章 实验仪器及测试原理
• 2.1 MOCVD 简介
• 2.1.1 AlGaN-MOCVD 气路介绍
• 2.1.2 金属有机气相沉积原理
• 2.2 结构测试仪器
• 2.2.1 金相显微镜
• 2.2.2 原子力显微镜（AFM）
• 2.2.3 分辨率X 光衍射仪（HR-XRD）
• 2.3 电学测试仪器
• 2.3.1 霍尔（Hall）测试系统
• 2.3.2 电容-电压（C-V）测试
• 2.4 本章小结
• 第3章 AlGaN/GaN 异质结生长背景和AlGaN/GaN间2DEG产生机理
• 3.1 外延生长
• 3.2 GaN 材料的选择
• 3.3 衬底的选择
• 3.4 Si 衬底上生长AlGaN/GaN 异质结的难点
• 3.5 Si 衬底上GaN 外延层的两步生长法
• 3.5.1 Si 衬底上铺Al
• 3.5.2 缓冲层的生长
• 3.6 高温GaN 的生长
• 3.7 二维电子气的产生
• 3.8 极化对二维电子气的影响
• 3.9 本章小结
• 第4章 Si 衬底上生长GaN 外延层
• 4.1 低温AlN（LT-AlN）缓冲层生长方案
• 4.2 高温AlN（HT-AlN）缓冲层生长方案
• 4.3 多次 LT-AlN 插入生长大厚度的 GaN 外延层
• 4.4 本章小结
• 第5章 蓝宝石上生长 AlGaN/GaN 异质结的 C-V 特性
• 5.1 AlGaN/GaN 异质结的生长
• 5.2 实验过程
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 XRD 测试结果
• 5.3.2 C-V 测试结果
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论
• 6.1 本论文工作总结
• 6.2 实验展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表论文