硅衬底上基于超薄AlInN势垒层的HEMT外延生长研究

Traditional high-electron-mobility transistors (HEMTs) are generally based on an AlGaN/GaN heterostructure with sapphire or SiC substrates. However, they have limitations on the frequency characteristics. Additionally, the poor thermal conductivity of sapphire is unfavorable for the heat dissipation and the reliability of high power electronics, while the SiC has no cost advantage. For realization of high performance HEMT with low cost and given the present work of our group, this project will aim for a high quality epitaxial growth of HEMT with ultrathin AlInN barrier layer based on silicon substrate. To achieve the objective, research will be focused on the HEMT epitaxial structure design and epitaxial growth. This is achieved by designing and optimizing the device epitaxial structure based on energy band engineering idea, in-depth studying of the key problems during the epitaxial growth, including stress management of the GaN-on-Silicon heteroepitaxy, the influence of pulsed-mode MOCVD on the growth mode of AlInN and in-situ regulation of surface state. Meanwhile, material microstructure formation mechanism, microstructure evolution law and the inner relations of them to the epitaxy conditions will be clarified. To give some guidance in improving the device electrical performance further, the influence of device epitaxial structure and material microstructure on the two-dimensional electron gas (2DEG) transport properties will also be revealed.

传统的高电子迁移率晶体管（HEMT）普遍采用基于蓝宝石或者碳化硅衬底的AlGaN/GaN异质结结构，但其在频率方面存在局限性，而且蓝宝石衬底导热性能较差，不利于功率器件的散热及持久可靠工作；碳化硅衬底则在成本方面不具有优势。结合项目组工作基础，本项目将深入研究硅衬底上基于超薄AlInN势垒层的HEMT高质量外延生长，旨在从材料方面实现突破，为实现高性能、低成本HEMT器件制备奠定基础。围绕该目标，本项目拟针对HEMT外延结构设计、外延生长中的关键科学问题进行研究：基于能带工程思想，设计并优化器件外延结构；深入研究硅衬底上GaN异质外延中的应力调控、脉冲MOCVD技术对AlInN生长模式的影响、势垒层表面态原位调控等外延生长中的关键问题。同时，阐明材料微结构形成、演变规律及其与生长条件的内在关联，并揭示器件外延结构、材料微结构与二维电子气输运性质的关系，为进一步改善HEMT电学性能提供指导。

传统高电子迁移率晶体管（HEMT）普遍采用基于蓝宝石或者碳化硅衬底的AlGaN/AlN/GaN异质结结构，但其在频率方面存在局限性，而且蓝宝石衬底导热性能较差，不利于功率器件的散热及持久可靠工作；碳化硅衬底则在成本方面不具有优势。结合项目组工作基础，本项目深入研究了硅衬底上基于超薄Al(In,Ga)N势垒层的HEMT外延生长，旨在从材料方面实现突破，为实现高性能、低成本HEMT器件制备奠定基础。. 围绕该目标，本项目展开研究工作，包括：硅衬底上高质量GaN异质外延生长研究、高阻GaN缓冲层技术研发、基于近晶格匹配AlInN /AlN/GaN异质结HEMT外延生长、基于AlInGaN四元合金的异质结HEMT外延生长及器件研制。主要成果包括：. (1) 硅衬底上外延生长高质量GaN，X射线双晶衍射半高宽(002)达到305 arcsec，(10-12)达到336 arcsec；. (2) 开发出高阻GaN缓冲层掺杂技术，实现C的定量可控掺杂，器件击穿电压达到600 V以上；. (3) 外延生长基于近晶格匹配Al0.83In0.17N/AlN/GaN异质结HEMT, 材料方阻为243 Ω/□，电子迁移率达到1240 cm2/V·s，二维电子气浓度达到2.07E13 /cm2；. (4) 外延生长出高质量AlInGaN/AlN/GaN异质结，材料方阻达到390 Ω/□，电子迁移率达到1350 cm2/V·s，二维电子气浓度达到1.23E13 /cm2；. (5) 建立异质结中AlN插入层外延生长过程中非故意并入Ga的物理模型，通过优化生长条件，显著提升了AlInGaN/AlN/GaN异质结电子迁移率至1870 cm2/V·s。. 综上所述，本项目解决了硅衬底上GaN异质外延难题，为制备高性能硅基GaN电子器件奠定了坚实的材料基础。同时，建立了高质量基于近晶格匹配AlInN/AlN/GaN异质结外延生长方法，阐明了V型坑微结构形成、演变规律及其与生长条件的内在关联。在此基础上，成功研制出基于AlInGaN四元合金势垒层异质结HEMT，为研制高性能射频微波器件提供了全新思路。此外，获得了非故意并入Ga与异质结AlN插入层生长条件的规律，对于提高异质结界面质量、提升电子迁移率具有重要而普适的意义。