论文部分内容阅读
GaN基宽禁带半导体已成为高频大功率电子器件及高效率发光器件最重要的材料之一，近二十年来得到了快速的发展。但是，目前为止应用最多也最成熟的GaN材料是基于Ga面的。值得注意的是，对于六方GaN这种极性半导体材料，与Ga面极性相对的N极性材料有很多不同于Ga面的特性，这些特性使其在高电子迁移率晶体管、发光二极管和太阳能电池领域比Ga面更有优势。不过，由于目前N面GaN材料质量相比Ga面来说要差很多，远没有达到实际应用要求，所以如何实现高质量N面GaN材料是近年来国际研究热点。本文针对蓝宝石衬底上N面GaN基异质结构材料的生长难题，结合实验和理论方法开展了深入的研究，取得了一定的突破。主要研究工作结果如下：1、基于MOCVD生长方法，对于N面GaN基异质结构材料中背景载流子浓度高、表面形貌差和位错密度高等难题，首先利用原子力显微镜、X射线衍射、拉曼测试和霍尔测试等手段，系统研究了衬底斜切角度、氮化条件、高温AlN成核层厚度、GaN缓冲层五三比、生长温度及GaN插入层等对材料质量的影响规律与物理机制。2、研究发现，N面GaN基异质结构材料中背景载流子浓度降低与表面形貌改善之间存在严重的矛盾，对此，论文提出了在较高生长温度下采用不同五三比GaN外延层组合生长的方法，起到了同时抑制背景载流子浓度、改善表面形貌及降低位错密度的作用。并且首次采用低铝组份AlGaN缓冲层进一步降低了背景载流子浓度。通过工艺改进优化，将背景载流子浓度从2×1019cm-3降低到8×1017cm-3，GaN(00-2)面摇摆曲线半高宽由492arcsec降低到404arcsec，GaN(10-2)面摇摆曲线半高宽由571arcsec降低到474arcsec。3、结合数值仿真与样品测试，研究了N面GaN/AlGaN异质结构材料中沟道层厚度、AlN插入层、AlGaN帽层厚度和缓变AlGaN势垒层对材料电学特性的影响。实验发现，当采用较厚的GaN沟道层、1nm AlN插入层及较厚的Al0.1Ga0.9N帽层时，N面GaN/AlGaN异质结构材料的特性实现了有效的提升，二维电子气密度达到1×1013cm-2，电子迁移率为835cm2/Vs。论文实现的较高性能N面GaN/AlGaN异质结构材料为国内首次报道，不过在材料生长工艺及采用铁掺杂进一步降低背景载流子方面未来还需要进一步研究，以使N面GaN异质结材料达到器件实用化要求。