GaN基太赫茲器件的新結(jié)構(gòu)及材料生長(zhǎng)研究.pdf

1、相比于其他傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料,GaN太赫茲器件具有更大的電子有效質(zhì)量,更高的縱向聲子能量,更快的子帶間電子散射,更大的負(fù)阻區(qū)電流峰谷比和更高的二維電子氣密度等,使其在太赫茲領(lǐng)域中具有一定的優(yōu)勢(shì)。然而GaN材料的生長(zhǎng)技術(shù)和傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料相比依然不夠成熟,GaN材料中的缺陷密度依然很高,這會(huì)直接導(dǎo)致GaN太赫茲器件的性能衰減,更甚至于擊穿和燒毀。為了推動(dòng)GaN太赫茲器件的應(yīng)用,必須首先解決相關(guān)器件材料中的結(jié)晶質(zhì)量問(wèn)題。傳統(tǒng)的結(jié)晶質(zhì)量改善可以通

2、過(guò)橫向外延過(guò)生長(zhǎng)技術(shù)(ELOG)或者插入層技術(shù)來(lái)達(dá)到。然而ELOG技術(shù)包括了多步生長(zhǎng)以及掩膜技術(shù),實(shí)現(xiàn)起來(lái)不僅繁瑣而且代價(jià)昂貴;插入層技術(shù)是可以過(guò)濾位錯(cuò)缺陷,但是由于插入層技術(shù)通常采用異質(zhì)材料,那么必然存在晶格失配情況,這會(huì)在插入層界面處引入失配位錯(cuò),從而不能有效直接地降低位錯(cuò)密度。針對(duì)這些問(wèn)題,本文結(jié)合GaN太赫茲器件的特殊結(jié)構(gòu),對(duì)生長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)行了調(diào)整以及優(yōu)化,從而有效過(guò)濾了位錯(cuò)密度,明顯改善了器件渡越區(qū)中結(jié)晶質(zhì)量。并且通過(guò)一系列的實(shí)驗(yàn)

3、測(cè)試,獲得了一些令人振奮的結(jié)果,主要研究結(jié)論如下:
　　1,論文報(bào)道了采用MOCVD法生長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)了底層Notch摻雜加速區(qū)(BNL)結(jié)構(gòu)和頂層 Notch摻雜加速區(qū)(TNL)結(jié)構(gòu)的 GaN基太赫茲耿氏器件外延結(jié)構(gòu),并進(jìn)行了相關(guān)的材料測(cè)試分析,并通過(guò)自主建立的外延缺陷生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)模型解釋了器件有源區(qū)生長(zhǎng)位錯(cuò)湮滅的機(jī)理。
　　2,論文報(bào)道了一種改進(jìn)的四元件小信號(hào)電容-電壓(C-V)測(cè)試等效模型,該模型被用來(lái)消除測(cè)試中的頻率離散現(xiàn)象。

4、接著我們提出一種新穎的數(shù)學(xué)模型來(lái)計(jì)算GaN緩沖層中的體缺陷密度。在GaN太赫茲耿氏二極管中,體缺陷的存在(尤其是深能級(jí)點(diǎn)缺陷)會(huì)影響器件的高場(chǎng)輸運(yùn)特性。為了分析這類缺陷,我們采用了PL譜,改進(jìn)的C-V,SIMS,HRXRD,以及TEM等測(cè)試對(duì)結(jié)構(gòu)中的點(diǎn)缺陷進(jìn)行了深入的研究。研究提出熱退火處理可以使點(diǎn)缺陷密度分布降低30％左右,有效改善了GaN中深能級(jí)缺陷引入的電荷俘獲效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致射頻功率和轉(zhuǎn)換效率的明顯衰減。
　　3,論文報(bào)道了設(shè)計(jì)

5、和實(shí)驗(yàn)獲得了亞微米渡越區(qū)長(zhǎng)度的帶有 Al組分三級(jí)遞進(jìn)AlGaN層的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)太赫茲耿氏二極管外延結(jié)構(gòu),詳細(xì)研究AlGaN熱電子注射(HEI)層對(duì)GaN渡越區(qū)位錯(cuò)的阻斷和結(jié)晶質(zhì)量的影響,進(jìn)一步通過(guò)分析驗(yàn)證揭示了位錯(cuò)從緩沖層穿透并進(jìn)入 AlGaN HEI層時(shí),螺位錯(cuò)和刃位錯(cuò)在 AlGaN/GaN異質(zhì)界面發(fā)生彎曲和隨之而來(lái)的湮滅現(xiàn)象,指出采用底層AlGaN-HEI層結(jié)構(gòu)可以作為AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)THz耿氏器件的最佳選擇。同

6、時(shí)研究了通過(guò)贗晶生長(zhǎng)的Al組分線性漸變AlGaN插入層來(lái)湮滅N極性GaN中位錯(cuò),提出了一種有效改善N極性GaN結(jié)晶質(zhì)量的方法以而改善N極性太赫茲器件的特性。
　　4,論文報(bào)道了針對(duì)InAlN/GaN異質(zhì)界面的結(jié)晶質(zhì)量?jī)?yōu)化過(guò)程,采用PMOCVD生長(zhǎng)InAlN層,然后生長(zhǎng)一層低溫(LT)GaN保護(hù)層,這樣可以保證在緊著的高溫GaN生長(zhǎng)時(shí)InAlN中不會(huì)發(fā)生In簇的形成以及In組分再分布。從TEM測(cè)試中可以看出,高質(zhì)量的 InAlN/G