低位错密度GaN单晶中高场输运特性与热声子-缺陷散射机制研究

Vertical GaN-based power electronic devices are one of the major breakthroughs in the application field of GaN material. In the research of these devices, the investigation on hot electron transport and hot phonon relaxation mechanisms under high temperature and high electric field is very important, and the reveal of the role of dislocation and point defect on them will be a major scientific and technical problem at present. Recently, the density of dislocation (DD) of GaN material in our group has been greatly decreased, due to the application of stress control techniques in growth processes (epitaxial lateral overgrowth, for example).In this project, basing upon our research group’s technology superiority on the GaN single crystal material growth, we will design and fabricate test device with vertical structure and then systematically investigate the high field reverse leakage mechanism, hot-phonon -defects scattering mechanisms, thermal phonons relaxation mode etc.. Finally, we will elaborate the intrinsic relation among the dislocation density, dislocation type, also point defect and the high field collapse, reverse leakage, thermal phonons relaxation process. And these results thus provide key experimental basis for the optimization design and the reliability research of power electronic devices.

垂直结构功率电子器件是目前GaN材料应用领域的重要突破方向之一。其中探索GaN材料中高温、高电场下热电子输运和热声子弛豫机制，并揭示位错和点缺陷所起作用是其面临主要科学问题。最近申请者所在研发团队通过多种应力和位错控制技术应用，可获得10^4/cm^2低位错高质量单晶材料。本项目将立足于这些材料生长优势，通过高场下垂直结构测试器件设计与制作，并以高场下反向漏电机制、热声子弛豫模式、声子-缺陷散射机制等高场下重要物理过程探索为主线，阐述高温高场下，位错密度、位错类型、点缺陷等和电流坍塌、反向漏电、热声子弛豫等之间的内在关联机制，从而为垂直结构GaN基功率电子器件的设计和优化、可靠性研究等提供关键性实验数据。

为探索HVPE生长GaN单晶在垂直结构功率电子器件方面的应用，本项目研究了HVPE生长的高质量低位错GaN单晶基本电学性质，并在此基础上制备垂直结构的肖特基势垒二极管，分析了正反向电场作用下的输运机制，并借助纳米尺度微观结构表征技术，研究了样品中的位错、缺陷等对器件性能的影响；同时为探索HVPE生长GaN在更高耐压值功率器件方面应用潜力，我们也初步开展了用于GaN高场输运性质初步研究。目前主要研究结论及结果包括：1）杂质散射机制在HVPE生长高质量GaN迁移率中起重要作用；同时非故意引入的Si杂质应是导致GaN单晶中存在的微弱黄光峰的缘由；2）基于高质量GaN 自支撑衬底纵向垂直结构肖特基二极管在电流密度达到1000A/cm2时仍保持正向IV曲线仍能保持很好的线性；同时反向IV曲线可以热电子场发射模型进行了很好的拟合；3）GaN肖特基二极管的反向恢复时间随器件面积的增大而增大，电路的RC时间常数是影响反向恢复时间的主要因素；相对于Si二极管，GaN肖特基二极管的反向恢复时间随温度的升高基本不发生改变这证明GaN材料很适合用来制备高温、大功率器件以及需要在较大的温度变化范围内稳定工作的器件。上述研究成果将为推动下一步新型纵向垂直结构GaN基功率二极管设计和优化、可靠性研究等提供关键性实验数据。