强电场下InAlN/GaN异质结构的输运性质及其退化机理研究

InAlN/GaN heterostructures with high two-dimensional electron gas density are most promising for high-frequency and high-power electronic devices applications. However, with devices scaling down, the effects of high field transport properties are increasingly significant, which is one of the bottlenecks limiting performance of the devices. This project is aimed to understand the high field transport behaviors and the physics behind in InAlN/GaN heterostructures. By using experimental systems of high voltage and narrow linewith pulse generator and broad temperature range deep-level transient spectroscopy, we will investigate high electric field transport properties and degradation mechanisms in InAlN/GaN heterostructures. The main research contents include: MOCVD epitaxial growth and dislocation suppression of high quality InAlN/GaN heterostructures, electron-phonon interactions and hot electron energy and momentum relaxation mechanisms at high field, dislocation evolution as well as its effects on transport properties，and degradation mechanisms at high field and temperature. The applicant and the affiliated research group have been focusing on the relevant works during the last ten years,accumulating extensive experience. The research contents are frontier areas in GaN based heterostructures materials and devices, which are important for scientific research and applications.

具有高二维电子气浓度的InAlN/GaN异质结构材料在高频、高功率电子器件领域具有重大的应用前景。但随着器件特征尺寸不断缩小，强电场下的载流子输运行为对器件性能的影响益发强烈，已成为制约器件性能提高的瓶颈。本项目以掌握InAlN/GaN异质结构的强电场输运规律和探索其物理机制为目标，以高幅值窄脉冲电压信号测量系统及宽温区深能级瞬态谱为主要实验手段，开展强电场下InAlN/GaN异质结构的输运性质及其退化机理研究，主要内容涉及高质量InAlN/GaN异质结构的MOCVD外延生长和缺陷抑制、强电场下的电-声子相互作用和热电子的能量及动量驰豫机制、缺陷在高温强电场作用下的产生和演化规律及其对载流子输运行为和器件性能退化的影响。本项目申请人及所在课题组近年来一直从事与该领域相关的研究工作，具备了良好的工作基础。研究内容是当前国际上GaN基异质结构材料和器件的前沿领域，具有重要的科学意义和应用价值。

InAlN/GaN 异质结构材料因具有高浓度二维电子气使其在高频、高功率电子器件领域具有重大的应用前景。但随着器件特征尺寸不断缩小，强电场下的载流子输运行为对器件性能的影响益发强烈，已成为制约器件性能提高的瓶颈。本项目以掌握InAlN/GaN 异质结构的强电场输运规律和探索其物理机制为目标，以高幅值窄脉冲电压信号测量系统及电流瞬态谱为主要实验手段，开展强电场下InAlN/GaN 异质结构的输运性质及其退化机理研究。本项目主要研究内容涉及高质量的InAlN/GaN 异质结构的MOCVD 生长和缺陷抑制、强电场下载流子的输运行为、缺陷在高温强电场作用下的演化规律及其对载流子输运性质和器件退化机制的影响。三年来，经过课题组全体成员的共同努力工作，我们在GaN基异质结构材料的外延生长及其在强电场下的载流子输运规律和退化机理等方面开展了系统的研究工作，取得了若干重要进展。我们实现了高质量的InAlN/GaN异质结构材料，蓝宝石衬底上的InAlN/GaN异质结构材料二维电子气迁移率指标处于国际报道最好水平之一，硅衬底上InAlGaN/GaN、AlGaN/GaN异质结构材料电学性能处于国际前列；发现了InAlN/GaN异质结构材料中载流子浓度随温度变化的滞回现象；阐明了InAlN/GaN异质结构材料在强电场下的载流子输运规律；发展了一种研究GaN基异质结构和电流退化相关的深能级陷阱局域态的方法，用来指认陷阱态的空间位置和能级位置。三年来共发表带有基金项目标号的SCI收录论文9篇，其中ACS Applied Materials & Interfaces论文1篇，APL论文5篇，Scientific Reports论文2篇，申请国家发明专利3项，在国内学术会议上做邀请报告2次，参加国际学术会议多次。三年来共毕业博士研究生2人，毕业硕士研究生1人，出站博士后1人。项目负责人参与主办在北京召开的本领域国际著名学术会议ICNS-11并担任出版委员。本项目圆满完成了计划任务书规定的各项研究任务。