Si基GaN薄膜应力与微结构缺陷的关系研究

在Si衬底上生长GaN薄膜材料可以大大降低GaN器件成本，使之得到广泛应用。然而，在Si上生长GaN薄膜存在着非常严重的热失配和晶格失配问题，很容易导致薄膜产生裂纹。通过在材料结构中生长AlGaN过渡层（TL）可以有效缓解失配产生的应力，抑制裂纹的产生，并改善薄膜的晶体质量。但是，国内外学者对AlGaN TL技术在作用机理层面上的认识深度明显低于在技术操作层面上的掌握程度，他们往往对应力和位错进行独立的研究，而没有联系起来研究。本项目拟生长带有AlGaN TL的厚的高质量无裂纹Si基GaN薄膜，采用原位应力测量分析与非原位微结构缺陷剖析相结合的动态研究手段，分析生长应力变化与微结构缺陷产生、消除和运动变化的相互关系，深刻揭示Si基GaN薄膜裂纹得到抑制，晶体质量得到提高的物理机理，为高质量Si基GaN薄膜外延生长提供重要的理论依据。

本项目以AlGaN过渡层为基础缓冲层生长了Si基GaN外延薄膜，基于建立的准确可靠的GaN应力测量手段，研究了Si基GaN薄膜应力与微结构缺陷之间的对应关系，为高质量厚层Si基GaN材料的外延生长提供了理论和技术基础。在AlGaN过渡层的生长上开发出创新的MOCVD生长技术，降低了原材料之间预反应的影响，解决了高质量高Al组分AlGaN材料的生长难题。采用设计合理的多个Al组分阶变AlGaN过渡层为应力控制手段，成功生长出表面完全无微裂纹的Si基AlGaN/GaN异质结材料。再引入AlGaN超晶格缓冲层，生长了3.5μm厚Si基AlGaN/GaN异质结材料，晶体质量、表面形貌得到进一步改善，材料Hall迁移率提高到2020 cm^2/(Vs)。对AlN成核层和多个AlGaN缓冲层进行结构优化，调控了厚层Si基GaN外延片的形变，使之满足圆片级器件研制的要求。基于所开发的厚层低形变Si基GaN材料研制了功率电子器件，获得了满意的直流输出和击穿性能，从使用角度对材料性能进行了验证。