InAlNInGaNAlaN双异质结构材料生长与特性研究.docx

Study Study on Growth and Characteristics of InAIN／In GaN／(AI)GaN Double．Heter0StruCture Materials A dissertation submitted to ⅪDIAN UNIVERSITY in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy in Microelectronics and Solid State Electronics By Zhao Yi Supervisor：Hao Yue Title：Professor June 2016 万方数据 西安电子科技大学 西安电子科技大学 学位论文独创性(或创新性)声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师 指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢 中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含 为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文若有不实之处，本人承担一切法律责任。 本人签名： 日 期：竺!曼：垒望 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在 校攻读学位期间论文工作的知识产权属于西安电子科技大学。学校有权保留送交论文 的复印件，允许查阅、借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，允许采用影 印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，结合学位论文研究成果完成的论 文、发明专利等成果，署名单位为西安电子科技大学。 必威体育官网网址的学位论文在一年解密后适用本授权书。 本人签名：∥磊 导师签名： 日飙¨哆哆■ 日期：—丛生』净 万方数据 摘要摘要 摘要 摘要 III．V族氮化物半导体材料及2DEG具有优越的电学性能，使得GaN基高电子迁 移率晶体管在抗击穿、耐高温及微波功率器件应用方面极具潜力。A1GaN／GaN异质 结是目前研究及应用最为广泛的氮化物异质结构，基于A1GaN／GaN异质结的研究已 有大量可观成果。但是，随着对III．V族氮化物异质结器件潜力的进一步挖掘， A1GaN／GaN异质结构已逐渐不能满足需求，一些不足阻碍了其广泛应用，体现在以 下几方面：1、为进一步提升频率性能，要求器件尺寸按比例缩小，因而A1GaN／GaN 异质结势垒层厚度要随之降低以抑制短沟道效应，但是随着势垒层厚度减小，2DEG 面密度急剧下降，将退化输运性能；2、常规A1GaN／GaN异质结HEMTs器件中2DEG 在高温高压情况下易溢出沟道进入缓冲层，引起迁移率下降及可靠性问题。前者可通 过槽栅工艺或将A1GaN势垒材料替换为薄势垒材料得到改善；后者可通过在异质结 构中采用背势垒即双异质结构来增强2DEG限域性。对于常规GaN沟道双异质结构 而言，AIGaN或InGaN常被用做背势垒材料，它们可以通过提升2DEG沟道下方GaN 缓冲层导带高度来提高2DEG限域性；另一种实现双异质结构的方法是采用InGaN 沟道层，由于InGaN沟道材料禁带宽度小，因此在沟道层／缓冲层界面处将形成天然 背势垒，并且由于InGaN材料具有较小的电子有效质量，采用InGaN沟道还有进一 步提升异质结材料及器件性能的潜力。 在此背景下，本文对近晶格匹配InAIN／InGaN／(A1)GaN双异质结材料的MOCVD 生长及MIS．HEMTs器件研制开展研究。主要工作如下： 1．研究了InGaN材料MOCVD生长过程中，外延温度、反应室压强、TMIn流 量、氨气流量、外延生长方式以及模板应力对InGaN外延材料的影响。研究发现： 提高温度有利于改善外延材料结晶质量，但会降低材料中In组分，过低或过高的温 度都可能引起In析出；提高反应室压强，In组分逐渐降低，结晶质量呈现改善趋势， 但过低压强不利于抑制InGaN在生长过程中的分解并引起组分起伏：随着TMIn流量 增大，样品In组分逐渐提高并趋于饱和，表面In滴增多，样品中位错密度增高，但 随着TMIn流量继续提高，位错密度增长变缓；高氨气流量有利于提高InGaN材料中 In组分并抑制偏析；相比连续法，脉冲法可以改善材料的结晶质量，但是样品中In 组分更低，且脉冲法生长速度很慢：外延模板在InGaN材料生长时施加的压应力越 大，材料中In组分越低，压应力有助于抑制材料中In的不均匀分布。 2．结合InGaN材料生长经验，对于InGaN沟道生长，为保证材料质量应选用合 适的生长条件，避免选