论文部分内容阅读
GaN基电子器件在光电子和射频大功率器件领域有着巨大的应用前景，但是目前生长的GaN材料仍有较高的缺陷密度，GaN基器件也存在很多可靠性问题。本文的研究重点是利用超临界流体技术来修复GaN材料和AlGaN/GaNHEMT器件中的缺陷，提高GaN材料及其器件的性能。另外本文还进行了AlGaN/GaNHEMT器件的单步工艺开发。本论文的主要研究工作总结如下：
(1)用磁控溅射10nmCr当做电子传导层覆盖在双层电子束光刻胶上，在SiC衬底的AlGaN/GaN外延片上实现了50nm栅长、120nm栅高的I型栅。
(2)研究了温度和压力对超临界氨处理氮空位多的p型GaN的影响，发现超过一定温度和压力后，随着温度升高或者压力增大，超临界氨对p型GaN的腐蚀能力逐渐加强，p型GaN的结晶质量逐渐下降。在超临界氨腐蚀p型GaN的过程中温度是主导因素。通过对超临界氨处理条件的优化，发现用213℃、30MPa的超临界氨处理氮空位多的p型GaN样品1小时，样品的结晶质量并未发生退化。通过SIMS测试发现该实验条件下的p型GaN内部氢元素的分布情况未发生变化，说明该实验条件下超临界氨不能填补氮空位。
(3)对非掺杂GaN进行了超临界水氧化(SCWO)处理，发现在550℃、30MPa的条件下超临界水氧化处理非掺杂GaN样品1小时得到的氧化产物是单斜晶系β-Ga2O3。
(4)通过调整SCWO条件控制Ga2O3薄膜厚度，并结合HF超声处理剥离了Ga2O3薄膜，得到了表面布满腐蚀坑的非掺杂GaN“图形衬底”。然后用MOCVD在该“图形衬底”上二次外延7μm非掺杂GaN，发现该“图形衬底”有助于提高其上二次外延GaN层的结晶质量，并且用二次外延过程中未被填满而提前闭合的对应于螺位错的腐蚀坑阻断位错线延伸的物理模型解释了基于SCWO技术得到的“图形衬底”提升二次外延GaN层结晶质量的机理。另外还发现在SCWO得到的Ga2O3薄膜上二次外延GaN层，容易造成外延的GaN层自动脱落。该实验现象说明了有可能在由SCWO得到的Ga2O3薄膜上二次外延足够厚的GaN层，然后自剥离得到自支撑的GaN衬底。
(5)用超临界CO2(含有少量NH3)在120℃、22.6MPa下对AlGaN/GaNHEMT进行了1个小时的低温超临界氮化(LTSCN)处理。经过LTSCN，AlGaN/GaNHEMT的平均反向栅漏电减小了69.6%，平均亚阈值摆幅减小了19.9%，平均导通电阻减小了20.4%。反向栅漏电减小是因为LTSCN钝化了肖特基接触附近的表面态，提高了肖特基势垒高度，减小了理想因子。导通电阻减小的原因是LTSCN提高了2DEG的迁移率。另外还发现经过LTSCN后，AlGaN/GaN异质结界面的慢态陷阱密度从5.12×1013~7.07×1013cm-2·eV-1(对应的能级在0.49~0.50eV)减小到1.8×1013~2.36×1013cm-2·eV-1(对应的能级在0.47~0.50eV)。由此得出慢态陷阱密度的大幅减小，导致AlGaN/GaN异质结处的2DEG沟道中的电子受到来自于带负电的界面态(俘获了电子)的库伦散射大大减小，从而2DEG的迁移率得到了提高。LTSCN前后慢态陷阱参数的变化被认为可能是LTSCN对AlGaN/GaN异质结附近的氮空位的影响造成的。为此提出了一个关于LTSCN填充AlGaN/GaN界面氮空位的反应模型来解释LTSCN后慢态陷阱的变化。
(1)用磁控溅射10nmCr当做电子传导层覆盖在双层电子束光刻胶上，在SiC衬底的AlGaN/GaN外延片上实现了50nm栅长、120nm栅高的I型栅。
(2)研究了温度和压力对超临界氨处理氮空位多的p型GaN的影响，发现超过一定温度和压力后，随着温度升高或者压力增大，超临界氨对p型GaN的腐蚀能力逐渐加强，p型GaN的结晶质量逐渐下降。在超临界氨腐蚀p型GaN的过程中温度是主导因素。通过对超临界氨处理条件的优化，发现用213℃、30MPa的超临界氨处理氮空位多的p型GaN样品1小时，样品的结晶质量并未发生退化。通过SIMS测试发现该实验条件下的p型GaN内部氢元素的分布情况未发生变化，说明该实验条件下超临界氨不能填补氮空位。
(3)对非掺杂GaN进行了超临界水氧化(SCWO)处理，发现在550℃、30MPa的条件下超临界水氧化处理非掺杂GaN样品1小时得到的氧化产物是单斜晶系β-Ga2O3。
(4)通过调整SCWO条件控制Ga2O3薄膜厚度，并结合HF超声处理剥离了Ga2O3薄膜，得到了表面布满腐蚀坑的非掺杂GaN“图形衬底”。然后用MOCVD在该“图形衬底”上二次外延7μm非掺杂GaN，发现该“图形衬底”有助于提高其上二次外延GaN层的结晶质量，并且用二次外延过程中未被填满而提前闭合的对应于螺位错的腐蚀坑阻断位错线延伸的物理模型解释了基于SCWO技术得到的“图形衬底”提升二次外延GaN层结晶质量的机理。另外还发现在SCWO得到的Ga2O3薄膜上二次外延GaN层，容易造成外延的GaN层自动脱落。该实验现象说明了有可能在由SCWO得到的Ga2O3薄膜上二次外延足够厚的GaN层，然后自剥离得到自支撑的GaN衬底。
(5)用超临界CO2(含有少量NH3)在120℃、22.6MPa下对AlGaN/GaNHEMT进行了1个小时的低温超临界氮化(LTSCN)处理。经过LTSCN，AlGaN/GaNHEMT的平均反向栅漏电减小了69.6%，平均亚阈值摆幅减小了19.9%，平均导通电阻减小了20.4%。反向栅漏电减小是因为LTSCN钝化了肖特基接触附近的表面态，提高了肖特基势垒高度，减小了理想因子。导通电阻减小的原因是LTSCN提高了2DEG的迁移率。另外还发现经过LTSCN后，AlGaN/GaN异质结界面的慢态陷阱密度从5.12×1013~7.07×1013cm-2·eV-1(对应的能级在0.49~0.50eV)减小到1.8×1013~2.36×1013cm-2·eV-1(对应的能级在0.47~0.50eV)。由此得出慢态陷阱密度的大幅减小，导致AlGaN/GaN异质结处的2DEG沟道中的电子受到来自于带负电的界面态(俘获了电子)的库伦散射大大减小，从而2DEG的迁移率得到了提高。LTSCN前后慢态陷阱参数的变化被认为可能是LTSCN对AlGaN/GaN异质结附近的氮空位的影响造成的。为此提出了一个关于LTSCN填充AlGaN/GaN界面氮空位的反应模型来解释LTSCN后慢态陷阱的变化。