高迁移率AlN/GaN/AlN双异质结材料生长及特性研究

采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)制备了高迁移率AlN/GaN/AlN双异质结材料,实验发现生长温度是影响异质结材料性能的关键,降低生长温度可以减少表面裂纹密度,同时减少界面AlGaN合金形成,提升二维电子气(2DEG)浓度。在1000℃采用脉冲法生长AlN势垒,既能提升Al原子在生长表面的横向迁移,又能减少GaN沟道层中Ga原子的纵向扩散;另外,还可以降低AlGaN合金对二维电子气的散射作用,改善异质结的界面陡峭度和表面质量,提升AlN/GaN/AlN双异质结二维输运特性。通过优化脉冲时间、脉冲周期等条件,制备出了室温下方块电阻仅为245Ω/sq,2DEG迁移率约1190 cm^(2)/(V·s),2DEG浓度达2.4×10^(13)cm-2的AlN/GaN/AlN双异质结材料。

AlGaN/GaN/AlGaN双异质结材料生长及性质研究

基于能带理论设计并利用MOCVD技术在76.2 mm蓝宝石衬底上生长了不同GaN沟道层厚度的AlGaN/GaN/AlGaN双异质结材料。室温霍尔测试结果表明:双异质结材料的二维电子气面密度随沟道层厚度增加有所升高并趋于饱和;二维电子气迁移率则随沟道厚度增加明显升高。200 nm厚GaN沟道的双异质结材料方块电阻平均值344.2Ω/□,方阻不均匀性1.69%。HEMT器件工艺验证表明,使用双异质结材料显著抑制了栅漏电,有利于提高器件的耐压特性。

AlInGaN合金的发光机制研究

用变温光致发光谱和时间分辨光谱研究了AIlnGaN合金的发光机制。实验结果表明,发光强度随时间并不是呈指数衰减关系,而可以用伸展指数哀减函数来描述,表明材料中存在明显的无序。形成这种无序的原因是In组分不均产生的微结构(如量子点)。伸展指数衰减函数中弥散指数β不仅不随温度变化,在250K也不随辐射能量变化,表明载流子的弥散过程由局域态之间的跳跃所主导。进一步实验表明局域态在250K时仍然表现出零维特性。

MOCVD法生长InAlN材料及其微结构特性研究

利用MOCVD法,在7.62cm蓝宝石衬底上生长了InAlN薄膜及InAlN/GaN异质结材料。利用XRD、AFM、Hall等测试方法对材料的组分、表面形貌、电学性质等进行了分析,InAlN薄膜中In含量随生长温度的升高明显降低,材料表面为三维岛状结构;与AlGaN/GaN异质结材料相比,InAlN/GaN异质结的高温电子输运特性更好,773K下InAlN/GaN异质结的迁移率为130cm2/(v·s),明显高于AlGaN/GaN异质结的67cm2/(v·s)。

高质量GaN薄膜的MOCVD同质外延生长

采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术,在GaN自支撑衬底上同质外延生长了GaN薄膜,得到高质量的GaN外延薄膜。X射线衍射(XRD)结果显示其(002)面摇摆曲线半高宽小于100弧秒,原子力显微镜(AFM)照片上能看到连续的二维台阶流形貌,其表面粗糙度小于0.5 nm,其位错密度低于106cm-3。

含有Al组分阶变AlGaN过渡层的Si基AlGaN／GaNHEMT

采用一个AlN缓冲层和两个Al组分阶变的AlGaN过渡层作为中间层,在76.2mm Si衬底上外延生长出1.7μm厚无裂纹AlGaN/GaN异质结材料,利用原子力显微镜、X射线衍射、Hall效应测量和CV测量等手段对材料的结构特性和电学性能进行了表征。材料表面平整光滑,晶体质量和电学性能良好,2DEG面密度为1.12×1013cm-2,迁移率为1 208cm2/(V.s)。由该材料研制的栅长为1μm的AlGaN/GaN HEMT器件,电流增益截止频率fT达到10.4GHz,这些结果表明组分阶变AlGaN过渡层技术可用于实现高性能Si基GaN HEMT。

4W/mm蓝宝石衬底AlGaN/GaN HEMT

报道了利用南京电子器件研究所生长的蓝宝石衬底AlGaN/GaN异质结材料制作的HEMT,器件功率输出密度达4W/mm。通过材料结构及生长条件的优化,利用MOCVD技术获得了二维电子气(2DEG)面密度为0.97×1013cm-2、迁移率为1000cm2/Vs的AlGaN/GaN异质结构材料,用此材料完成了栅长1μm、栅宽200μm AlGaN/GaN HEMT器件的研制。小信号测试表明器件的fT为17GHz、最高振荡频率fmax为40GHz;负载牵引测试得到2GHz下器件的饱和输出功率密度为4.04W/mm。

75mm 4°偏轴4H-SiC水平热壁式CVD外延生长

利用水平热壁式CVD外延生长技术,在75mm偏向〈1120〉方向4°的(0001)Si-面n型导电衬底上同质外延生长了4H-SiC薄膜.光学显微镜和原子力显微镜测试结果表明外延层表面存在三角形、胡萝卜状等典型的4°偏轴外延缺陷及普遍的台阶形貌.通过优化外延参数,片内浓度均匀性(σ/mean)和厚度均匀性分别达到4.37%和1.81%.

低温GaN插入层对AlGaN/GaN二维电子气特性的改善

利用低压MOCVD技术在蓝宝石衬底上生长了AlGaN/GaN二维电子气(2DEG)材料,在GaN生长中插入一层低温GaN,并研究了低温GaN插入层对二维电子气输运特性的影响。使用原子力显微镜(AFM)和非接触霍尔测试仪测量了材料的表面形貌和电学特性,发现低温GaN插入层可以改善材料表面平整度并使AlGaN/GaN 2DEG的电子迁移率有明显提高,GaN插入层温度为860℃的样品在室温下2DEG的电子迁移率达到2110 cm2/V.s。

水平热壁式CVD SiC外延均匀性研究

研究了水平热壁式CVD(hot-wall CVD)4H-SiC同质外延生长,通过优化载气H2的流量获得低于1%(最好值为0.09%)的外延厚度均匀性(σ/mean),碳硅比(C/Si)的改变对外延材料载流子浓度均匀性的分布有重要影响,通过优化C/Si比,获得低于7%(最好值为4.37%)的载流子浓度均匀性。但当C/Si比大于1.9时,外延片表面形貌会出现退化。

InAlN/AlN/GaN HEMT器件特性研究

通过利用MOCVD生长的高质量蓝宝石衬底InAlN/AlN/GaN异质结材料,获得了高的二维电子气面密度,其值为1.65×1013cm-2。通过该结构制备了0.15μm栅长InAlN/AlN/GaN HEMT器件,获得了相关的电学特性:最大电流密度为1.3 A/mm,峰值跨导为260 mS/mm,电流增益截止频率为65 GHz,最大振荡频率为85 GHz。对比于相应的AlGaN/AlN/GaN HEMT器件,InAlN/AlN/GaN HEMT器件由于具有高的二维电子气面密度和薄的势垒层厚度,其最大电流密度和峰值跨导特性有了很大的改善,同时频率特性也有显著提高。

利用低温插入层改善GaN外延层晶体质量研究

采用MOCVD系统在蓝宝石衬底上生长了GaN外延薄膜,在高温GaN生长中插入了低温GaN。通过改变低温GaN的生长温度和/比得到不同样品。对样品薄膜进行了高分辨X射线衍射(HRXRD)和光致发光谱(PL)测试,PL半峰宽变化不大,XRD半峰宽有明显变化。实验结果表明,低温GaN缓冲层可以使后续生长更好,达到二维生长模式,并且合适的低温生长条件可以明显改善GaN外延层的结晶质量,降低位错密度。

MOCVD生长AlGaN／GaN／Si(111)异质结材料

利用MOCVD在Si(111)衬底上生长了无裂纹的GaN外延薄膜和AlGaN/GaN异质结构。通过优化Si衬底的浸润处理时间、AlN层厚度等参数获得了无裂纹的GaN外延薄膜,研究了SiN缓冲层和插入层厚度对AlGaN/GaN异质结电学性质的影响,2DEG的迁移率和面密度分别达到1410cm2/V.s和1.16×1013cm-2。

GaN薄膜表面形貌与AlN成核层生长参数的关系

采用金属有机物化学气相淀积技术生长了以AlN为成核层的GaN薄膜,研究了成核层生长时三甲基铝(TMAl)流量对最终GaN薄膜表面形貌的影响。研究结果表明,高质量的GaN薄膜只能在高TMAl流量下获得,采用充足的TMAl源才能形成满足需要的AlN成核点,这是生长高质量GaN薄膜的一个先决条件。

MOCVD脉冲法制备InAlGaN/GaN异质结材料特性研究

采用MOCVD脉冲供源方法制备了76.2 mm(3英寸)高质量薄势垒层的InAlGaN/GaN异质结材料。通过对样品表面形貌及电学特性等测试,研究了进入反应腔MO源的不同脉冲组合对InAlGaN材料生长的影响,并分析了相关机理。其中等效为InAlN/AlGaN类超晶格结构的势垒层外延方法,基于原子层间近晶格匹配和超晶格的原子层调制作用,有效改善了势垒层材料质量和表面形貌,提升了异质结料的电学特性,室温下电子迁移率达到1 620cm^2/(V·s),方块电阻217.2Ω/。

金属有机物化学气相沉积同质外延GaN薄膜表面形貌的改善

为了获得高质量的GaN薄膜材料,研究了金属有机物气相沉积系统中GaN插入层对GaN衬底同质外延层表面宏观缺陷和晶体质量的影响.研究发现,插入层生长温度是影响GaN同质外延膜表面形貌和晶体质量的关键因素.由于生长模式与插入层生长温度相关,随着插入层生长温度的降低,外延膜生长模式由准台阶流模式转变为层状模式,GaN同质外延膜表面丘壑状宏观缺陷逐渐减少,但微观位错密度逐渐增大.通过对插入层温度和厚度的优化,进一步调控外延层的生长模式,最终有效降低了外延层表面的宏观缺陷,获得了表面原子级光滑平整、位错密度极低的GaN同质外延膜,其X射线衍射摇摆曲线(002),(102)晶面半峰宽分别为125arcsec和85arcsec,表面粗糙度均方根大小为0.23nm.

AlInN三明治势垒GaN HFET

介绍了国际上AlInN势垒HFET的最新发展。从器件性能分析中发现这种新势垒显著提高了沟道电子气密度,增大了强场漂移速度,消除应变提高了器件可靠性和热稳定性,能在高温下有效工作,使GaN HFET研究走上新的台阶。但是薄势垒引起的大栅流和电流崩塌是阻碍器件性能提高和实际应用的主要瓶颈。利用AlInN/AlGaN异质界面的大能带带阶和强极化电荷来剪裁能带,设计出新的三明治势垒,满足内、外沟道和欧姆接触势垒的要求。可望消除上述瓶颈,使AlInN势垒GaN HFET付诸实用。

InGaAlN四元合金的光学性质和低维结构

研究了用MOCVD方法生长InGaAlN四元合金材料的生长规律,发现生长温度在800～880℃,其In组分随生长温度升高而降低。用变温光致发光谱和时间分辨谱研究了InGaAlN的光学性质。光致发光谱表明InGaAlN的发光强度随温度衰减规律与InGaN类似,但比GaN慢,室温下比GaN的发光强度大1个数量级以上。时间分辨光谱表明,在InGaAlN中存在低维结构的铟聚集区———在没有高温GaN中间层的InGaAlN材料中存在类似量子盘的二维铟聚集区;而在有高温GaN中间层的InGaAlN材料中存在类似量子点的零维铟聚集区。

生长压力对MOCVD GaN材料晶体质量的影响

使用氮化物MOCVD外延生长系统,采用传统的两步生长法在76.2 mm c面蓝宝石衬底上生长了不同压力的GaN薄膜样品。研究发现提高高温GaN的生长压力,初期的三维生长时间增长,有利于提高GaN薄膜的晶体质量。同时采用XRD、PL谱和湿化学腐蚀方法研究了样品的位错特性,结果表明高压生长的样品能够降低位错密度,起到改善GaN晶体质量的作用。

V/Ⅲ比对Si基AlN薄膜结构特性的影响

采用金属有机物化学气相外延法(MOCVD)在Si(111)衬底上生长了200nm厚的AlN薄膜,研究了V/III比对AlN薄膜晶体质量及表面六角缺陷的影响。结果表明,当V/III比为2 400时,得到的样品表面最平整,晶体质量最好,表面粗糙度为1.32nm,(002)半峰宽为0.615°,(102)半峰宽为0.689°。通过扫描电子显微镜(SEM)观察样品表面,发现当V/III比过高或者过低时,AlN薄膜的表面都会变得粗糙,六角形缺陷也会增多,合适的V/III比有助于抑制表面六角缺陷的产生。