超薄、晶格匹配InAlN/GaN异质结构电学性质及其调控规律

GaN-based semiconductor has a widespread application in high frequency, high power and high temperature electronic devices due to its excellent physical and chemical properties, such as wide band gap,high breakdown field and high electron drift velocity and so on. The ultra-thin, lattice-matched InAlN/GaN heterostructure (referred to as Thin-InAlN heterostructures ) and high electron mobility transistor (HEMT) are the major direction to develop the GaN-based high-frequency devices. Based on achieving high quality Thin-InAlN heterostructures by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) and the use of variable temperature Hall measurements, variable temperature and frequency capacitance-voltage spectrum (CV), high-temperature deep level transient spectroscopy (HT-DLTS) and other distinctive research methods, this project is aiming to explore the spontaneous polarization properties, two-dimensional electron gas (2DEG) transport properties, the gate leakage mechanism, surface localized states and in situ surface passivation of Thin-InAlN heterostructures, etc. As one of the most forefront topics in the current study of wide band gap semiconductor heterostructures and electronic devices, this project not only has important academic significance in the physical aspects of wide bandgap semiconductors, but also has important applications in high-quality GaN-based high-frequency electronic devices.

GaN基半导体由于其大禁带宽度、强击穿电场、高电子漂移速度、耐高温、抗辐照等优异物理、化学性质，在高功率、高频、高温电子器件方面有不可代替的应用，而超薄、晶格匹配InAlN/GaN异质结构（简称Thin-InAlN异质结构）是研制GaN基毫米波，乃至更高频电子器件的主流发展方向。本申请项目针对超薄、晶格匹配这两个主要特点，在实现高质量Thin-InAlN异质结构的金属有机化学气相沉积(MOCVD)的基础上，采用变温Hall测量、变频变温电容-电压谱(C-V)，高温深能级瞬态谱（HT-DLTS）等富有特色的研究方法，系统探索Thin-InAlN异质结构中的自发极化特性、二维电子气(2DEG)输运特性、栅漏电机制、表面局域态及其MOCVD原位钝化等关键问题，为解决基于Thin-InAlN异质结构的高电子迁移率晶体管（HEMT）器件的短沟道效应、漏电控制和电流崩塌等难题提供科学依据和解决方案。

GaN基异质结构的高电子迁移率晶体管（HEMT）具有大的禁带宽度、高的击穿场强、介电常数小、热导率大、电子饱和漂移速度高、化学稳定性好和抗辐照能力强等等优异的物理、化学性质，在高频、高功率、高温电子器件方面具有不可代替的应用。为了提高GaN基HEMT器件的频率特性，GaN基HEMT材料和器件越来越向更短栅长，更薄势垒层方向发展，超薄、晶格匹配InAlN/GaN异质结构的研究是材料和器件工艺发展需求的大趋势。高质量超薄、晶格匹配InAlN/GaN异质结构材料和器件的制备以及电学性质的调控还缺乏深入系统的分析与研究。本项目针对超薄、晶格匹配InAlN/GaN异质结构材料和器件所面临的部分关键问题进行研究，并提出一些合理的解决方案，为解决基于Thin-InAlN异质结构的HEMT器件的短沟道效应、漏电控制和电流崩塌等难题提供科学依据和解决方案。本项目的主要研究内容和成果包括：.1.通过MOCVD技术在蓝宝石衬底上制备得到高质量晶格匹配InAlN/GaN异质结构，分析了高阻GaN层及InAlN势垒层对高质量晶格匹配InAlN/GaN异质结构性能的影响，电学性能优异，室温迁移率高达2220 cm2/Vs；.2.在蓝宝石衬底上初步探索了超薄、晶格匹配InAlN/GaN异质结构的制备，得到势垒层厚度为7 nm的超薄、晶格匹配InAlN/GaN异质结构，表面出现V型坑，电学性能优异；.3.采用变温Hall测量系统，系统研究了晶格匹配InAlN/GaN异质结构中2DEG的高温输运特性，在高温区，2DEG降低并具有温度滞回特性，这种现象与GaN缓冲层内的陷阱态有关，可能是C掺杂引入的施主态CGa导致；.4.利用GaN薄层作为原位钝化层，对晶格匹配InAlN/GaN异质结构进行表面钝化处理，同时与SiN钝化比较，通过变温Hall测量系统和变频CV测量系统研究表面态密度的变化规律，探索表面局域态的变化对载流子输运性质的影响。