Si衬底上基于C掺杂的低位错密度GaN基异质结构的应力与杂质行为调控

GaN based heterostructure high electron mobility transistors on Si substrate show promising potentials in the field of energy efficient power electrionic devices with high performance. Althoutgh carbon is often introduced in high resistive GaN to compensate backgroud donors, their doping effects on device performance especially under high voltage, remain poorly understood. This project is aiming to investigate the influence of carbon related impurities on breakdown voltage and on-resistance of the devices. We propose to conduct a systematic investigation on the atomic configuration and localized states of the carbon related impurities in GaN based layers, and to understand the charging/discharging behaviors of carobn related traps under high voltage, and evaluate their effects on high electronic field transport properties. We propose a novel method, which is using a low Al content AlGaN interlayer, to control the stress as well as to reduce the dislocation density in the GaN layers. Moreover, we will investigate the microstructure and localized states of the carbon relatd traps by using Fourier transform infrared spectroscopy and high-temperature deep-level transient spectroscopy. We will further control the carbon related doping behaviors from the view point of MOCVD growth dynamics with proper design of the growth process. The studies in this project will be of great values for fabricating low on-resistancde and high breakdown voltagte GaN power electroinic devices on Si substrates.

Si衬底上GaN基异质结构高迁移率晶体管有望在下一代高效节能功率电子器件领域得到广泛使用。虽然C作为异质结构中高阻GaN的一种有效补偿杂质而备受关注，然而对于C掺杂行为如何影响器件性能特别是高压条件下的器件性能尚缺乏统一的认识。本申请项目以研究C相关杂质影响器件导通电阻和击穿电压的物理机制为目标，开展GaN基外延层中与C相关杂质的原子组态及相应的局域态特性研究，探寻与C相关陷阱态在高压条件下的充放电机理及其对载流子高场输运性质的影响规律。本申请项目提出通过单层低Al组分AlGaN插入层，同时实现对GaN外延层的应力控制和位错抑制，以红外振动谱和高温深能级瞬态谱为主要实验方法来研究C相关陷阱态的微结构和局域态特性，结合MOCVD生长动力学对异质结构中的C杂质行为进行调控和设计，在技术路线上具有鲜明的特色和创新性。本项研究将为制备Si上低导通电阻、高击穿电压的GaN基电子器件提供重要科学依据。

Si衬底上GaN基异质结构材料有望在下一代高效节能功率电子器件领域得到广泛使用，成为国际上氮化物半导体研究的热点。半绝缘材料是GaN基功率电子器件的核心，目前主要通过C掺杂来实现，但仍面临一关键瓶颈：C掺杂在提高器件击穿电压的同时也会导致动态电阻退化。解决这一瓶颈问题的关键在于对C掺杂机理的理解，特别是要确定C在GaN中的晶格位置并能对其进行调控。然而因其掺杂行为非常复杂，国际上尚缺乏统一的认识。本项目以研究C杂质影响器件导通电阻和击穿电压的物理机制为目标，开展Si衬底上GaN外延生长及C杂质的掺杂规律研究，主要内容涉及Si衬底上低位错密度GaN的应力控制与缺陷抑制、与C相关杂质缺陷的原子组态及相应的局域态特性、具有低导通电阻、高垂直击穿电压的原型器件的制备。四年来，经过课题组全体成员的共同努力，我们在Si衬底上高质量GaN及其异质结构的应力控制及位错抑制、C杂质的掺杂机理等方面取得了重要进展。提出了大晶格失配诱导应力调控外延新方法，实现了Si衬底上高质量GaN厚膜及其异质结构材料的外延生长，AlGaN/GaN异质结构和InAlGaN/GaN异质结构二维电子气性能指标均处于国际前列；基于单层石墨烯实现了标准Si(100)衬底上单晶GaN薄膜的外延生长；揭示了半绝缘GaN中C杂质的掺杂机理，首次观察到C杂质的两个局域声子振动模式，提供了C在GaN中以C_N^-形式存在的直接证据，解决了关于这个领域长期存在的争议问题。. 四年来共发表标有项目号的SCI收录论文12篇，包括Physical Review Letters 1篇、Advanced Functional Materials 1篇、ACS Applied Material Interfaces 1篇、本领域主流期刊Applied Physics Letters 4篇、Applied Physics Express 1篇。申请国家发明专利8项，项目负责人在国内学术会议上做邀请报告10次，研究成果在国内外同行中产生了广泛影响。项目负责人2019年获得国家优秀青年基金项目支持。共毕业博士研究生5人、硕士研究生1人。项目组部分研究成果也获得了产业界的高度重视，与华为、合肥彩虹蓝光等高技术企业签订了合作研发协议，积极推动了成果转化进程。. 本项目圆满完成了计划任务书规定的各项研究任务。