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该论文的主要目的是用MBE方法研制GaN基微电子材料并制作高性能GaN基HEMT器件.研究的主要内容包括对蓝宝石衬底上GaN材料的外延生长研究和GaN极性的实验研究;对AlGaN/GaN HEMT器件结构的理论设计、外延生长和器件制作;并对Si、柔性衬底上的GaN生长进行了探索性研究.所取得的主要成果如下:1.对蓝宝石衬底上GaN材料的生长进行了研究.通过改变缓冲层的厚度、缓冲层的温度、生长时衬底的温度和V/Ⅲ比等生长条件优化了生长工艺,获得了高质量的GaN外延膜.Hall测试显示样品在室温下的迁移率高达300cm<'2>/V.s,背景电子浓度为1.0×10<'17>cm<'-3>;GaN(0002)双晶X射线衍射摇摆曲线半高宽(FWHM)仅为6arcmin.;高质量样品的室温光致发光谱上只观察到一个锐而强的带边发光峰,其峰值波长为363.5nm,半峰宽为36.5meV,低温下(3.5K)其峰值的半峰宽为10meV,未观测到与缺陷相关的黄光峰.在蓝宝石衬底上获得的材料质量属目前国际上用同类方法生长出的GaN外延膜中的先进水平.2.对在蓝宝石衬底上用MBE生长的GaN样品的极性进行了实验研究.发现用NH<,3>-MBE方法难以获得Ga面极性的GaN材料,改变缓冲层的生长条件难以实现材料极性的转换.我们提出了使用RF-MBE GaN模板来进行NH<,3>-MBE GaN生长,不但成功地获得了Ga面极性材料,材料的质量也大大提高,材料室温迁移率高达290cm<'2>/V.s,GaN(0002)峰DCXRD摇摆曲线半峰宽仅为5.6arcmin.3.AlGaN/GaN 2DEG结构材料的理论研究.对由自发极化、压电极化产生的极化面电荷密度进行了理论计算.计算结果表明自发极化和压电极化均产生了很大的极化面电荷密度.为了更好地利用压电极化效应获得高二维电子气浓度的HEMT器件结构材料,采用力平衡模型和Fischer模型从理论上计算了AlGaN层的临界厚度.最后利用求解Schrodinger方程和Possion方程进行自洽计算的方法对2DEG电子面密度进行了理论计算.参考计算结果设计并生长了AlGaN/GaN HEMT器件结构材料,计算结果和实验结果符合的较好.4.AlGaN/GaN HEMT结构材料外延生长和器件研制.外延生长得到了高质量的2DEG结构材料.室温电子迁移率为1035cm<'2>/V.s,二维电子气面密度为1.0×10<'13>cm<'-2>;低温77K时迁移率和相应的二维电子气面密度分别为2653cm<'2>/V.s和9.6×10<'12>cm<'-2>.用此材料研制了AlGaN/GaN HEMT器件,器件栅长为1μm,栅宽为80μm,源漏间距为4μm.器件的室温最大非本征跨导为186mS/mm、最大漏极饱和电流密度为925mA/mm、特征频率为18.8GHz.另外,还研制了具有20个栅指(总栅宽为1.6mm)的大尺寸器件,其最大漏极饱和电流为1.33A.所获得的材料和器件结果均为国内领先水平.5.对在Si(111)、Si(100)和SOI柔性衬底上的GaN生长进行了研究.在Si(111)衬底上采用GaN/AlN多层周期结构解决了表面裂纹问题,双晶X射线摇摆曲线显示GaN(0002)峰的半高宽为12arcmin;对Si(100)衬底上GaN生长的初步研究表明在其上获得了六方相的GaN;对SOI柔性衬底上的GaN生长进行了探索性研究,实验结果表明它很好地解决了Si衬底上生长GaN材料的裂纹问题并降低了外延层中的应力,AFM测试显示其表面粗糙度仅为0.6nm,PL光学性质测试表明柔性衬底上生长的GaN样品含有较少的杂质和缺陷.