GaN基太赫茲器件的新結構及材料生長研究.pdf

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

2、過橫向外延過生長技術(ELOG)或者插入層技術來達到。然而ELOG技術包括了多步生長以及掩膜技術,實現起來不僅繁瑣而且代價昂貴;插入層技術是可以過濾位錯缺陷,但是由于插入層技術通常采用異質材料,那么必然存在晶格失配情況,這會在插入層界面處引入失配位錯,從而不能有效直接地降低位錯密度。針對這些問題,本文結合GaN太赫茲器件的特殊結構,對生長過程進行了調整以及優(yōu)化,從而有效過濾了位錯密度,明顯改善了器件渡越區(qū)中結晶質量。并且通過一系列的實驗

3、測試,獲得了一些令人振奮的結果,主要研究結論如下:
　　1,論文報道了采用MOCVD法生長實現了底層Notch摻雜加速區(qū)(BNL)結構和頂層 Notch摻雜加速區(qū)(TNL)結構的 GaN基太赫茲耿氏器件外延結構,并進行了相關的材料測試分析,并通過自主建立的外延缺陷生長動力學模型解釋了器件有源區(qū)生長位錯湮滅的機理。
　　2,論文報道了一種改進的四元件小信號電容-電壓(C-V)測試等效模型,該模型被用來消除測試中的頻率離散現象。

4、接著我們提出一種新穎的數學模型來計算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(尤其是深能級點缺陷)會影響器件的高場輸運特性。為了分析這類缺陷,我們采用了PL譜,改進的C-V,SIMS,HRXRD,以及TEM等測試對結構中的點缺陷進行了深入的研究。研究提出熱退火處理可以使點缺陷密度分布降低30％左右,有效改善了GaN中深能級缺陷引入的電荷俘獲效應會導致射頻功率和轉換效率的明顯衰減。
　　3,論文報道了設計

5、和實驗獲得了亞微米渡越區(qū)長度的帶有 Al組分三級遞進AlGaN層的AlGaN/GaN異質結太赫茲耿氏二極管外延結構,詳細研究AlGaN熱電子注射(HEI)層對GaN渡越區(qū)位錯的阻斷和結晶質量的影響,進一步通過分析驗證揭示了位錯從緩沖層穿透并進入 AlGaN HEI層時,螺位錯和刃位錯在 AlGaN/GaN異質界面發(fā)生彎曲和隨之而來的湮滅現象,指出采用底層AlGaN-HEI層結構可以作為AlGaN/GaN異質結THz耿氏器件的最佳選擇。同

6、時研究了通過贗晶生長的Al組分線性漸變AlGaN插入層來湮滅N極性GaN中位錯,提出了一種有效改善N極性GaN結晶質量的方法以而改善N極性太赫茲器件的特性。
　　4,論文報道了針對InAlN/GaN異質界面的結晶質量優(yōu)化過程,采用PMOCVD生長InAlN層,然后生長一層低溫(LT)GaN保護層,這樣可以保證在緊著的高溫GaN生長時InAlN中不會發(fā)生In簇的形成以及In組分再分布。從TEM測試中可以看出,高質量的 InAlN/G