双悬臂外延法制备低位错密度GaN HEMT及其位错效应研究

GaN high electron mobility transistor is an advanced power device, which can be widely used in the fields of communication and power grid. GaN HEMT made on silicon substrate is more economical than that made on other substrates. However, the threading dislocation density in the GaN thin film is high due to the large lattice mismatch between Si and GaN, which limits the performances of HEMT. Currently, the buffer layer techniques or epitaxial lateral overgrowth technique are used to lower the dislocation density. But the density is still higher than 10^8 cm^-2 by buffer layer technique while unintentional doping of the film occurs by epitaxial lateral overgrowth technique. In this proposal, a double cantilever epitaxy technique is introduced. Thanks to a process of double etching, the proposed technique can theoretically block all the vertical threading dislocations. As a result, the dislocation density in GaN thin film is dramatically reduced. Another advantage of the technique is that it is possible to control the dislocation density by varying the width of etching window. In this proposal, the double cantilever epitaxy technique will be studied and a mathematics model that reveals the relationship between dislocation density and HEMT performances will be formulated. The fundamental research will facilitate the developments of GaN HEMT power device and GaN electronic science.

GaN 高电子迁移率晶体管（HEMT）是一种高效的功率器件，在新能源、移动通信等领域有着广阔的应用前景。以Si为衬底的GaN HEMT有成本优势。然而，在Si上外延的大失配 GaN薄膜内有较高的穿透位错密度（10^9-10^10 cm^-2），从而限制了HEMT的性能。目前，降低Si上GaN薄膜中位错密度主要采用缓冲层工艺和横向外延过生长法。然而，前者所获得的薄膜中位错密度一般仍高于10^8 cm^-2，后者会在薄膜中引入非故意掺杂，从而损害电学性能。同时，这两种方法无法支持建立置信度高的位错对HEMT性能影响的模型。本项目提出了一种双悬臂外延法，通过重复刻蚀，理论上可以完全阻断位错的纵向攀移路径。该方法不仅能显著降低、而且可在较大范围内控制位错密度。项目在研究双悬臂外延工艺的基础上，将系统研究位错密度与HEMT性能间的数学物理模型，为GaN HEMT功率器件的发展提供理论依据。

GaN 高电子迁移率晶体管（HEMT）是一种高效的功率器件，在新能源、移动通信等领域有着广阔的应用前景。以Si为衬底的GaN HEMT有成本优势。然而，在Si上外延的大失配GaN薄膜内有较高的穿透位错密度（10^9-10^10 cm^-2），从而限制了HEMT的性能。目前，降低Si上GaN薄膜中位错密度主要采用缓冲层工艺和横向外延过生长法。然而，前者所获得的薄膜中位错密度一般仍高于10^8 cm^-2，后者会在薄膜中引入非故意掺杂，从而损害电学性能。本项目提出了一种双悬臂外延法，通过重复刻蚀，可以有效阻断位错的纵向攀移路径。该方法不仅能降低、而且可在较大范围内控制位错密度。.得益于国家自然科学基金项目四年的支持，本项目对双旋臂外延法进行了研究，通过对工艺的摸索和GaN材料生长的动力学研究，本项目实现了生长的GaN材料的穿透位错密度从10^10 cm^-2下降到10^8 cm^-2以下。将该材料做成电子器件，发现AlGaN/GaN异质结的载流子密度超过了1.0×10^13cm^-2, 电子迁移率超过1.5×10^3cm^2 V^-1 S^-1, 材料的方块电阻低于 450 omiga/sq。为了利用双旋臂外延法得到的优异的GaN材料，项目还开展了1. GaN器件异质界面欧姆接触研究；2. GaN器件微区退火研究；3. GaN纵向LED与HEMT集成器件研究 和4. 三文治结构GaN 功率器件研究。.这些研究的主要结果和数据包括1. 发明了接触电阻小于0.3omiga mm 的微区退火，为栅极优先的GaN.器件工艺带来可能。2. 首次实现了纵向LED与HEMT集成器件，大大提升了等效外量子效应 6.15% 和单位面积的光输出功率12.5 Wcm^-2。3. 发明了一种三文治结构GaN 功率器件，该器件的同时高的击穿电压（620V）和很宽的跨导（-3V 至 3V）。.通过双悬臂外延法获得高质量的GaN薄膜。用这些材料制作成器件，对器件的工艺，设计与结构进行创新性研究，有助于提升GaN功率器件的性能，使其逐步替代传统的功率器件。