GaN材料的缺陷分布及工艺设计对器件性能的影响研究

论文摘要

第三代半导体材料GaN,具有直接带隙、大禁带宽度（室温下3.39eV）、强击穿电场（3 MV/cm）、高电子饱和漂移速度（3×107cm/s）、和良好化学稳定性等优异特性,在短波长蓝光-紫外光发光器件、微波器件和功率电子器件领域有巨大的应用前景。许多国家都投入了大量的人力、物力和财力对此进行研究。本论文主要围绕GaN自支撑体材料衬底的缺陷和杂质分布、表面处理对GaN和AlGaN/GaN肖特基二极管的性能影响、Si衬底AlGaN/GaN大功率器件的击穿和其他特性开展研究。主要研究内容和获得的结果如下：1.利用阴极荧光（CL）技术研究了用氢化物气相外延（HVPE）方法生长的GaN体材料衬底的缺陷和杂质分布。发现：GaN体材料表面显示为黑色核心的位错团簇被像光盘一样的强发光区域区域包围；这种发光的不均匀性在同质外延GaN薄膜上消失；制备在同质外延层上的肖特基二极管的反向漏电流普遍减小；但是,位错团簇的存在限制了基于GaN体材料衬底器件的产率。2.研究了氧等离子体处理GaN表面对其肖特基二极管的影响。在淀积肖特基金属之前采用ICP氧等离子体处理了GaN材料的表面,测量发现：在小偏压下,处理过的器件的反向漏电流减小、串联电阻增加；但是,在高反向偏压下,氧等离子体处理过的GaN肖特基二极管的漏电流反而更大,且击穿电压减小。XPS谱表明在氧等离子体处理过程中,GaN表面会生成超薄GaOx薄膜。在亚带宽（sub-bandgap）光照的情况下,等离子体处理过的器件有比较大的光导响应,表明氧等离子体处理过程中GaN材料表面产生了额外的缺陷态。还研究了氧等离子体处理AlGaN/GaN异质结表面对其肖特基二极管的影响,变频C-V测量表明氧等离子体处理在AlGaN/GaN异质结表面同样产生了额外的缺陷态。此外,还研究了超薄介质夹层、CF4+O2等离子体处理、热退火处理等对AlGaN/GaN肖特基二极管性能的影响。3.在Si衬底AlGaN/GaN异质结上制备了不同欧姆和肖特基接触间距的平面肖特基二极管。研究了SiO2和SiNx/SiO2复合结构钝化对Si衬底AlGaN/GaN肖特基二极管击穿特性的影响,发现SiO2和SiNx/SiO2复合结构钝化都能有效减小肖特基器件的反向漏电流并提高击穿电压,其中SiNx/SiO2复合结构的钝化效果更为显著。SiO2钝化的AlGaN/GaN肖特基二极管的最高击穿电压达到了近600V,其功率优值系数（VBR/RON）超过112MV·cm-2。当欧姆与肖特基电极间距超过一临界值后,器件的击穿电压趋于饱和；这时,器件的击穿主要发生在Si衬底和GaN外延层的界面处。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 Ⅲ族氮化物材料概述
• 1.1.1 Ⅲ族氮化物材料的晶格结构
• 1.1.2 Ⅲ族氮化物的极化特性
• 1.1.3 GaN的电学特性
• 1.1.4 GaN的光学性质
• 1.1.5 GaN材料的生长方法
• 1.1.6 衬底技术
• 1.2 GaN材料的应用
• 1.2.1 GaN基光电器件
• 1.2.2 GaN基电子器件
• 1.3 本论文的主要工作
• 参考文献
• 第二章 GaN体材料衬底表面的缺陷和杂质分布研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验过程
• 2.3 实验结果与分析
• 2.3.1 CL扫描（mapping）及CL谱测试分析
• 2.3.2 GaN体材料肖特基二极管的电学分析
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 表面处理对GaN和AlGaN/GaN肖特基整流器件的性能影响研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验工艺简介
• 3.2.1 GaN和AlGaN/GaN肖特基二极管的制备工艺简介
• 3.2.2 ICP刻蚀系统简介
• 3.3 氧等离子体处理对GaN肖特基二极管的性能影响研究
• 3.3.1 GaN肖特基二极管器件制备过程
• 3.3.2 实验结果与分析
• 3.4 氧等离子体处理对AlGaN/GaN肖特基二极管的性能影响研究
• 3.4.1 实验过程
• 3.4.2 实验结果与分析
• 3.5 其他表面处理对AlGaN/GaN肖特基二极管的性能影响研究
• 2O₃薄膜对AlGaN/GaN肖特基二极管的性能影响'>3.5.1 ALD淀积Al₂O₃薄膜对AlGaN/GaN肖特基二极管的性能影响
• 4（80%）+O₂等离子体处理对AlGaN/GaN肖特基二极管的性能影响'>3.5.2 CF₄（80%）+O₂等离子体处理对AlGaN/GaN肖特基二极管的性能影响
• 2中退火对AlGaN/GaN肖特基二极管的性能影响'>3.5.3 在N₂中退火对AlGaN/GaN肖特基二极管的性能影响
• 3.6 ICP刻蚀对GaN肖特基二极管欧姆接触的影响
• 3.6.1 实验过程
• 3.6.2 实验结果与分析
• 3.7 本章小结
• 参考文献
• 第四章 Si衬底AlGaN/GaN异质结肖特基二极管研究
• 4.1 引言
• 4.2 Si衬底AlGaN/GaN肖特基二极管的制备工艺
• 4.2.1 版图结构
• 4.2.2 Si衬底AlGaN/GaN肖特基二极管器件制备过程
• 4.3 实验结果与分析
• 4.3.1 二极管的钝化特性
• 4.3.2 二极管的电学特性
• 4.3.3 二极管的击穿特性
• 4.3.4 二极管的变温特性
• 4.3.5 二极管的欧姆接触
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 论文工作总结与展望
• 5.1 主要结论
• 5.2 研究展望
• 致谢
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