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基于高温AIN成核层的GaN基异质结构材料生长研究

作　者: 段焕涛
导　师: 郝跃
学　校: 西安电子科技大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 金属有机化合物化学气相淀积 AlGaN/GaN异质结高电子迁移率晶体管二维电子气高温A1N成核层
分类号: TN304.2
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

GaN基宽禁带半导体是目前发展高温、高频、大功率电子器件的最重要也是最基本的材料,深受国际上的关注。因此,GaN和AlxGa,-xN/GaN异质结构材料的研究已成为当前半导体科学技术的前沿领域和热点。本文结合GaN基异质结材料的MOCVD生长,系统地研究了采用低温成核层的6aN背景载流子产生机理,研究了Fe掺杂对AlGaN/GaN的影响。同时研究了基于高温A1N成核层的AlGaN/GaN异质结材料的特性以及新型异质结材料生长。本文主要的工作为：(1)采用低温GaN成核层在蓝宝石衬底上进行了高质量GaN单晶外延薄膜材料的生长研究。研究了成核层表面形貌对GaN外延层表面质量、晶体质量以及AlGaN/GaN异质结电学特性的影响,研制出高质量的GaN外延层以及AlGaN/GaN异质结材料,研究和揭示了成核层的表面形貌对GaN外延层结晶质量影响的物理机制。研究了高温GaN外延层的生长温度和厚度对GaN外延层表面形貌和结晶质量的影响,并对其物理机制进行了探讨。研究了衬底斜切角度对GaN异质结构材料晶体质量、表面形貌以及电学性能的影响,研究发现适度的衬底斜切可以显著改善异质结材料的表面形貌,使得界面粗糙度大幅下降,可显著提高了异质结材料的载流子迁移率。(2)针对蓝宝石衬底GaN外延层中背景载流子的形成机制和降低背景载流子的方法进行了深入研究。通过对不同成核层上生长的GaN外延层进行杂质元素分析,发现不同的工艺条件会对杂质C和O原子浓度产生显著影响。重点研究了在GaN外延层中进行有意的Fe杂质掺杂,利用Fe杂质的受主陷阱效应降低背景载流子,通过工艺优化实现了较高电阻率的GaN外延层,同时分析Fe掺杂对AlGaN/GaN异质结性能的影响,通过层结构设计与工艺优化避免了Fe杂质记忆效应对GaN异质结构材料电学特性的不利影响,最终获得具有较高电阻率和较高电学特性的GaN异质结材料。(3)在蓝宝石衬底上,采用独特的高温A1N成核层进行GaN外延材料的生长,深入研究了高温A1N成核层生长条件对AlGaN/GaN异质结材料的影响。采用创新的间歇供氨生长方法,实现了蓝宝石衬底上高质量A1N模板的直接生长,进而在此基础上获得了具有高电学特性的AlGaN/GaN异质结材料。深入研究了高温A1N成核层上高质量GaN外延层的生长机制,利用AFM对高温A1N的表面分析发现,直接生长于蓝宝石衬底上的高温A1N模板表面是由密度极高的锥形结构构成,生长于其上的GaN首先在锥形的侧面进行横向外延,从而降低了GaN的位错密度。(4)针对毫米波GaN功率器件需要,深入研究了薄势垒层AlGaN/GaN异质结构材料和GaN双异质结构材料的设计与生长方法。通过优化A1N插入层,实现了高电特性的薄势垒层AlGaN/GaN异质结。通过自洽求解一维薛定谔/泊松方程,对多种GaN基双异质结构进行了理论仿真与结构设计,在此基础上生长了具有不同背势垒层结构的AlGaN/GaN双异质结材料,并通过优化生长工艺,实现了无寄生沟道的AlGaN/GaN/AlGaN/GaN双异质结材料。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-11
第一章绪论  11-21
  1.1 Ⅲ族氮化物材料的重要性  11-12
  1.2 Ⅲ族氮化物材料的基本性质和常用衬底  12-15
  1.3 Ⅲ族氮化物的电学特性  15-17
  1.4 外延生长技术  17-19
    1.4.1 金属有机物化学气相淀积(MOCVD)  18-19
    1.4.2 分子束外延(MBE)技术  19
  1.5 Ⅲ族氮化物器件  19-20
  1.6 本文研究的主要内容  20-21
第二章 GaN的MOCVD生长系统及材料表征技术  21-35
  2.1 MOCVD系统  22-26
  2.2 材料表征技术  26-33
    2.2.1 X射线衍射技术(XRD)  26-29
    2.2.2 原子力显微镜(AFM)  29-30
    2.2.3 光致发光谱(PL)  30-31
    2.2.4 电容-电压测试(C-V)  31-32
    2.2.5 范德堡法Hall测试  32-33
    2.2.6 二次离子质谱  33
  2.3 本章小结  33-35
第三章 GaN单晶薄膜材料的MOCVD生长研究  35-53
  3.1 薄膜生长的基本原理  35-36
  3.2 传统GaN的外延生长工艺  36-39
  3.3 低温GaN成核层形貌对GaN外延层的影响研究  39-43
  3.4 高温GaN外延层生长工艺优化研究  43-47
    3.4.1 GaN的Ⅴ/Ⅲ比对GaN的影响  43-44
    3.4.2 GaN的生长温度对表面形貌以及生长速率的影响  44-45
    3.4.3 GaN的厚度对表面形貌和晶体质量的影响  45-47
  3.5 衬底斜切角度对GaN与AlGaN/GaN异质结的影响  47-49
  3.6 斜切衬底诱导GaN外延薄膜位错湮灭的物理机制  49-51
  3.7 本章小结  51-53
第四章非故意掺杂GaN以及Fe掺杂GaN生长研究  53-67
  4.1 GaN中的背景载流子来源  53-54
  4.2 高阻GaN的生长方法  54-55
    4.2.1 杂质原子补偿  54
    4.2.2 位错补偿  54-55
  4.3 背景载流子浓度的测试方法和成核层对GaN电阻率的影响  55-57
    4.3.1 C-V测量背景载流子浓度的方法  55-56
    4.3.2 台面隔离方法  56-57
  4.4 采用低温成核层的AlGaN/GaN异质结背景载流子产生机理分析  57-61
  4.5 Fe掺杂GaN材料的生长  61-64
    4.5.1 Fe掺杂GaN材料浓度计算  61
    4.5.2 Fe掺杂GaN材料的生长  61-64
  4.6 本章小节  64-67
第五章基于高温AlN成核层的AlGaN/GaN异质结材料生长和表征  67-87
  5.1 AlGaN/GaN异质结中的散射机制  67-70
  5.2 基于HT-AlN模板的AlGaN/GaN异质结材料生长  70-78
    5.2.1 AlN的MOCVD外延生长  71-72
    5.2.2 高温AlN厚度对GaN的影响  72-74
    5.2.3 高温AlN的Ⅴ/Ⅲ比对GaN晶体质量的影响  74-75
    5.2.4 高温AlN的生长温度对GaN以及AlGaN/GaN异质结的影响  75-78
  5.3 间歇供氨气生长高温AlN成核层  78-81
  5.4 采用HT-AlN为成核层的GaN生长机理研究  81-85
  5.5 本章小结  85-87
第六章薄势垒层AlGaN/GaN以及双异质结HEMT材料生长研究  87-107
  6.1 薄势垒层AlGaN/GaN异质结构生长研究  87-92
  6.2 AlGaN/GaN双异质结构材料的生长  92-95
  6.3 AlGaN/GaN/AlGaN/GaN双异质结构材料的设计和生长  95-102
  6.4 AlGaN/GaN/AlGaN双异质结构材料的设计和生长  102-105
  6.5 本章小结  105-107
第七章结束语  107-109
致谢  109-111
参考文献  111-119
论文期间研究成果  119-120

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