GaN晶体的应力、缺陷和能带结构之间关系的研究

GaN wide bandgap semiconductor material is the core of energy-saving industry, cutting-edge military and space electronic devices. Based on its importance to national economy and national defense construction, GaN crystal material research and application has become the frontier and hotspot of global semiconductor research. However, heteroepitaxial GaN crystals have high dislocation density and large stress, which have great influence on the performance of optoelectronic devices and become the main bottleneck of their application. The GaN crystals with different stress properties obtained on different substrates are main research object. The relationship between stress band structure and defects of GaN crystals grown on different substrate will be investigated. The specific contents are as follows: The formation mechanism and variation of GaN crystal defects under different stress states will be studied. The influence of different stresses on the band structure will be determined. The relational model of stress-defect-band structure based on GaN crystal grown on different substrates will be established. This project will link the macro-stress and micro-electrical properties of GaN crystal, which enriches the theoretical basis of GaN crystal growth and device design. It has great theoretical and practical value to master the law of crystal growth stability, improve the crystal quality and improve the performance of optoelectronic devices.

GaN宽禁带半导体材料是节能产业、尖端军事和空间用电子器件的核心，基于其对国民经济和国防建设的重要意义，GaN晶体材料的研究和应用成为了目前全球半导体研究的前沿和热点。但异质外延生长的GaN晶体具有较高的位错密度和较大应力，对光电器件的性能影响很大，成为制约其应用的主要瓶颈。本项目拟以不同衬底上生长得到的不同应力性质的GaN晶体为研究对象，对其应力-能带结构-缺陷之间的关系进行基础科学研究。具体内容包括：研究不同应力状态下GaN晶体缺陷的形成机制及变化规律;确定不同应力对能带结构的影响规律;建立基于不同衬底上生长GaN晶体的应力-缺陷-能带结构的关系模型。本项目将GaN晶体宏观应力和微观电学性质联系起来，丰富了GaN晶体生长及器件设计制备的理论依据，对掌握晶体生长稳定性规律，改善晶体质量，提高光电器件的性能具有重要理论意义和应用价值。

以氮化镓（GaN）为代表之一的宽禁带半导体材料，具有击穿场强高、饱和电子漂移速率快、介电常数小、抗辐射能力强等优点，在制备高频大功率器件、光电子器件等方面具有较大的优势，在5G通讯、新能源汽车和国防军工等领域有广泛的应用前景。但目前缺乏高质量的同质衬底，因此异质外延生长的GaN晶体中具有较高的位错密度和较大的应力，对高可靠性器件的制备造成很大的影响，这将会制约其应用。本项目以不同衬底上生长得到不同应力性质的GaN晶体为研究对象，对其应力-能带结构-缺陷之间的关系进行深入探究，具体研究了不同应力状态下GaN晶体缺陷的形成机制及变化规律。最终确定了不同应力对能带结构的影响规律，并建立了基于不同衬底上生长GaN晶体的应力-缺陷-能带结构的关系模型。探究Si衬底上GaN单晶生长位错演变机理，通过生长AlN/AlGaN缓冲层，有效的建立压应变，以补偿因冷却过程中热失配导致的拉应力，实现了无裂纹Si衬底上高质量GaN单晶的生长；在高温退火制备的多孔衬底上生长GaN单晶，研究了其成核过程，并提出了成核机理，证明生长界面处的多孔结构是缓解应力和阻断位错的主要因素，并利用多孔衬底制备出了高质量低应力的GaN单晶；通过拉曼、高分辨XRD、吸收透过以及光致发光等表征手段对Si掺杂n型及Fe掺杂半绝缘GaN晶体的掺杂位点进行了详细研究，得到了n型及Fe掺杂半绝缘GaN晶体掺杂位点都是在Ga位的结论；利用TEM探究了GaN单晶随生长厚度位错的变化趋势，结果证明随着生长厚度的增加其位错密度逐渐下降。.以上研究成果，为生长高质量低应力的GaN单晶提供了强有力的理论支撑，并在实践中得到了验证，为GaN在高频、大功率器件和光电子器件上的应用提供高质量的衬底材料基础。