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SEMI OpenIR  > 中科院半导体材料科学重点实验室  > 学位论文

题名: (In)GaN/AlGaN/GaN异质结构中的二维电子和空穴气研究
作者: 闫俊达
答辩日期: 2017-6-1
摘要: 氮化镓(GaN)基高电子迁移率晶体管(HEMTs)具备诸多优良的性质,如临界击穿电场大、二维电子气(2DEG)浓度和电子迁移率高、耐高温、抗辐射等,非常适合高性能功率器件的研制。本论文从GaN基功率器件的研究进展和面临的技术挑战出发,基于能带工程,首先研究了增强型器件用Ga面极性InGaN/AlGaN/GaN异质结构材料的设计原则,之后探究了N面极性GaN/AlGaN/GaN HEMT材料结构中二维空穴气(2DHG)和2DEG的浓度调控机制。最后进行了相关材料的生长与器件验证。所取得的主要研究成果如下:1.      Ga面极性增强型InGaN/AlGaN/GaN异质结构的理论研究首次从理论上系统研究了InGaN帽层的组分和厚度、AlGaN势垒层组分和厚度、以及InGaN中的p型掺杂InGaN/AlGaN/GaN异质结构中AlGaN/GaN界面处的2DEG的调控作用。在一定条件下,该结构中可出现2DHG2DEG共存。此时,InGaN/AlGaN上界面的2DHG成为一屏蔽层,阻止下界面的2DEGInGaN耗尽。在一定的势垒层Al组分下,AlGaN势垒层存在一个临界厚度,在该临界厚度之下时,InGaN/AlGaN/GaN HEMT材料结构中2DHG2DEG不能共存。此时,2DEG可以被一定组分、厚度的InGaN帽层耗尽。因此,要想制备增强型InGaN/AlGaN/GaN HEMTs器件AlGaN势垒层的厚度应选取在该临界厚度以下。2.      N面极性GaN/AlGaN/GaN异质结构的理论研究首次系统分析了N面极性GaN/AlGaN/GaN异质结构。在一定组分厚度的AlGaN势垒层下,AlGaN/GaN单异质结结构中存在2DHGAlGaNAl组分和厚度越大,2DHG的面密度也越大。对于非故意掺杂的GaN/AlGaN/GaN异质结构而言,从理论上首次指出AlGaN/GaN下界面处的价带顶电子是GaN/AlGaN上界面处2DEG本质来源之一,2DEG的出现依赖于AlGaN背势垒层和GaN顶层材料参数的选取。而对于AlGaN背势垒或GaN缓冲层故意掺杂(n型)的GaN/AlGaN/GaN异质结构而言,施主的电离也是2DEG的来源之一。相比Ga面极性HEMT结构N面极性HEMT结构中沟道电子的限域能力更好,也更有利于形成极低的器件欧姆接触电阻,因而将来有望用来制备高性能功率器件。3.      Ga面极性InGaN/AlGaN/AlN/GaN异质结构的实验研究设计生长了10 nm In0.1Ga0.9N/22 nm Al0.23Ga0.77N/1 nm AlN/3.5 μm GaN 异质结构材料(-1015)晶面的倒易空间Mapping显示InGaNAlGaN共格生长在GaN缓冲层上。器件的转移特性曲线存在一电流平台(32.0 mA/mm),是InGaN/AlGaN上界面的2DHG对沟道中2DEG产生屏蔽引起的。相对于无InGaN帽层的器件,该器件的阈值电压发生正向偏移(从-4.0 V增大到-2.1 V)。
学位: 博士
专题: 中科院半导体材料科学重点实验室_学位论文

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闫俊达.(In)GaN/AlGaN/GaN异质结构中的二维电子和空穴气研究[博士].北京.中国科学院研究生院.2017
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