近晶格匹配InAlN-GaN材料結(jié)晶質(zhì)量和電學(xué)特性相關(guān)性研究.pdf

1、隨著第三代半導(dǎo)體GaN基電子材料和器件研究向高頻和大功率方向的不斷發(fā)展，常規(guī)AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)電子材料因晶格失配的產(chǎn)生的一些問題也凸顯出來(lái)。In組分約18％的InAlN/GaN材料中，InAlN處于和GaN晶格匹配的無(wú)應(yīng)變狀態(tài)，可以避免晶格失配而產(chǎn)生的問題，引起了科研人員的廣泛關(guān)注。晶格匹配的InAlN/GaN材料只靠自發(fā)極化就可以在GaN溝道中感應(yīng)出高密度電子(>2×1013cm-2)，并且在InAlN/GaN界面引入厚度約1n

2、m的AlN界面插入層使得溝道電子的遷移率大幅提高(>800 cm2/Vs)，形成典型的二維電子氣(2DEG)電導(dǎo)。然而，InAlN/GaN材料的輸運(yùn)性質(zhì)以及AlN插入層改善InAlN/GaN電子遷移率的機(jī)理卻缺乏深入的分析，而且不同樣品結(jié)晶質(zhì)量的差異和電學(xué)特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分散性等問題使得這一研究課題變得相當(dāng)困難。本文針對(duì)這一課題，以理論實(shí)驗(yàn)綜合分析的手段對(duì)采用脈沖式MOCVD法生長(zhǎng)的高性能晶格匹配InAlN/GaN和InAlN/AlN/G

3、aN材料的結(jié)晶質(zhì)量和電學(xué)特性進(jìn)行了研究，主要工作和成果如下：
　　 1.實(shí)現(xiàn)了對(duì)InAlN/GaN和InAlN/AlN/GaN材料能帶和載流子分布的考慮量子效應(yīng)的一維自洽求解，顯示了InAlN勢(shì)壘層的In組分和厚度以及AlN插入層厚度對(duì)異質(zhì)結(jié)能帶和載流子分布的影響。比較了相同結(jié)構(gòu)的AlGaN/AlN/GaN和InAlN/AlN/GaN的能帶和載流子分布，InAlN/AlN/GaN材料不但僅靠自發(fā)極化就能產(chǎn)生高密度2DEG，并發(fā)現(xiàn)

4、在較高溫度下對(duì)2DEG具有更強(qiáng)的限域性。
　　 2.通過高分辨X射線衍射(HRXRD)、拉曼散射、原子力顯微鏡(AFM)和X射線反射(XRR)等手段分析發(fā)現(xiàn)AlN插入層有效提高了InAlN/GaN材料的表面平滑度和界面質(zhì)量，降低了InAlN材料的缺陷密度。
　　 3.以C-V和變溫Hall測(cè)試說(shuō)明AlN插入層不但使InAlN/GaN材料2DEG密度有所增加，而且使2DEG的遷移率明顯提高。室溫下InAlN/GaN和InA

5、lN/AlN/GaN材料的霍爾電子密度為1.65×1013cm-2和1.75×1013cm-2，霍爾遷移率分別為949cm2/Vs和1437cm2/Vs，77K下霍爾遷移率則分別上升到2032cm2/Vs和5308cm2/Vs。
　　 4.以綜合考慮聲學(xué)形變勢(shì)散射、壓電散射、極性光學(xué)聲子散射、位錯(cuò)散射、合金無(wú)序散射和界面粗糙度散射等散射機(jī)制的2DEG遷移率解析模型對(duì)上述InAlN/GaN和InAlN/AlN/GaN材料的變溫霍爾

6、數(shù)據(jù)進(jìn)行了定量分析，通過計(jì)算結(jié)果可觀察出了晶體結(jié)晶質(zhì)量和表面形貌對(duì)其電學(xué)特性的影響；AlN插入層對(duì)InAlN/GaN材料遷移率的改善作用一方面是免除2DEG的合金無(wú)序散射，另一方面顯著改善異質(zhì)結(jié)界面，抑制了界面粗糙度散射，這與前述實(shí)驗(yàn)表征結(jié)果完全一致。
　　 5.在上述遷移率解析模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合2DEG遷移率與2DEG密度的大量報(bào)到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析了不同界面粗糙度的晶格匹配InAlN/GaN和InAlN/AlN/GaN材料2