【摘 要】
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第三代半导体中氮化铟（In N）、氮化镓（Ga N）、氮化铝（Al N）和由其组成的多元合金化合物等III族氮化物的研究最为广泛,该类材料统称为Ga N基半导体材料。Ga N基半导体材料的带隙由0.7 e V（In N）到6.2 e V（Al N）均可调控,且热导率较高、电子饱和漂移速率较大、易制备异质结、易在沟道处形成二维电子气（2DEG）,目前在高温大功率、高频微波、激光器、LED照明等功率电
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第三代半导体中氮化铟（In N）、氮化镓（Ga N）、氮化铝（Al N）和由其组成的多元合金化合物等III族氮化物的研究最为广泛,该类材料统称为Ga N基半导体材料。Ga N基半导体材料的带隙由0.7 e V（In N）到6.2 e V（Al N）均可调控,且热导率较高、电子饱和漂移速率较大、易制备异质结、易在沟道处形成二维电子气（2DEG）,目前在高温大功率、高频微波、激光器、LED照明等功率电子及光电器件领域应用广泛。Ga N基半导体材料通常以异质结构的形式被应用,其中Al Ga N/Ga N、In Al N/Ga N异质结构已经被广泛研究,但仍存在不足:Al Ga N/Ga N异质结无法兼具薄势垒与高面密度;In Al N/Ga N异质结构的In Al N材料生长困难。故对于Ga N基异质结构还需进行深入研究。本论文使用金属有机化合物气相沉积（MOCVD）外延技术外延生长Ga N、Al Ga N、In Al N、Al N等外延层及其堆积结构。主要从三个部分对Ga N基异质结构进行研究,即通过改变势垒材料探究异质结构的结构与电学性能。主要工作内容包括:一、研究了低温Ga N成核层生长温度的变化和引入Al N薄层对Al Ga N/Ga N外延结构的形貌、结晶质量与电学性能的影响。首先在成核温度为580℃和600℃的条件下制备Al0.30Ga0.70N/Ga N结构,从材料的形貌、结构、电学等方面展开分析。结果表明:与580℃的成核温度相比,在成核温度为600℃条件下制备的Al0.30Ga0.70N/Ga N异质结构的性能较好,Ga N缓冲层的混合位错密度水平较低即数量级处于108 cm-2,其2DEG迁移率与面密度较大。其次在Al0.30Ga0.70N/Ga N结构中引入1 nm Al N薄层,研究了Al N插入层对整个Al0.30Ga0.70N/Ga N结构的影响。结果表明:在Al0.30Ga0.70N/Ga N结构中引入Al N薄层能够改善2DEG面密度和2DEG电子迁移率;同时,Al0.30Ga0.70N/Al N/Ga N异质结构的平均方块电阻明显低于无Al N插入层的Al0.30Ga0.70N/Ga N的平均方块电阻,其输运特性更为优良。二、研究了In Al N层外延温度的变化对In Al N/Ga N外延结构的形貌、结晶质量与电学性能的影响。将In Al N势垒材料的生长温度设置为920℃、890℃以及860℃,制备了三种不同的In Al N/Ga N外延材料。测试结果表明:将In Al N生长温度由920℃降低至860℃,整个异质结构的位错密度水平降低,表面粗糙度逐渐减小,即In Al N材料的形貌逐渐变好、结晶质量更好;同时,随着In Al N层生长温度的降低,其2DEG迁移率有上升趋势。三、制备并研究了带有In Al N/Al Ga N双层势垒的Ga N基异质外延结构。首先,通过改变In流量1400 sccm、1000 sccm在Al0.40Ga0.60N/Al N/Ga N结构上制备不同组分的In Al N势垒;其次,改变In流量1200 sccm以及800 sccm在Al0.43Ga0.57N/Al N/Ga N结构上制备不同组分的In Al N势垒。测试结果表明:随着In流量的减小,带有In Al N/Al Ga N双层势垒的Ga N基异质外延结构的表面形貌有所改善,其2DEG电子迁移率与面密度有所增大。
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