HEMT中掺C半绝缘GaN缓冲层的制备及掺杂机制的研究

GaN based high electron mobility transistors (HEMT) are good candidates for high frequency and power electronics. To suppress leakage current and prevent short channel effect in GaN based HEMTs, a semi-insulating buffer layer of GaN serves an essential role as an isolating barrier between the substrate and the active region of the device. Buffer isolation is usually achieved by introducing acceptor-like impurities, like iron (Fe). But Fe induces severe memory effect. Another common route to obtain SI GaN buffer layer is carbon doping utilizing the carbon atoms on the gallium precursor. However, a possible source of carbon may be the graphite susceptor parts if the protective coating has been damaged. This source of carbon is naturally hard to control. This project will study a new method to obtain SI GaN buffer, i.e. using external carbon gas. The growth parameters of obtaining SI GaN buffer using different carbon gases will be optimized. The reason of defects formation and carbon doping mechanism will be studied. Then the carbon doping profile of HEMT buffer layer will be optimized in order to have better performance. This study will not only have important practice value, but also enrich wide band gap semiconductor doping theory.

氮化镓基高电子迁移率晶体管在高频大功率电子电力器件中具有很强的竞争力。在氮化镓基高电子迁移率晶体管中，为了抑制漏电流和短沟效应，需要一层半绝缘的缓冲层来隔绝衬底和器件有源区。目前制备此缓冲层的主要方法是使用铁掺杂，但是铁会产生记忆效应。另一种利用镓源中的碳原子进行掺杂的方式也存在着弊端，比如当生长室石墨部件的镀膜包层剥落后碳原子的浓度不可控。本项目将研究一种新型制备半绝缘氮化镓材料的方法，即使用外部气体源对氮化镓材料进行碳掺杂。从优化使用不同外部气体碳源制备半绝缘氮化镓材料的工艺，分析氮化镓外延层缺陷的成因，澄清碳掺杂的物理机制等几个方面进行深入研究。然后将上述研究成果运用到氮化镓基高电子迁移率晶体管中的半绝缘缓冲层的制备中，通过缓冲层中碳掺杂方案的设计，进一步优化外延层的质量，改进器件的性能。此研究不仅具有重要的实用价值，而且丰富了宽禁带半导体掺杂理论的研究内容，具有重要的科学意义。

在氮化镓基的高电子迁移率晶体管等高频大功率器件中，需要一层半绝缘的氮化镓缓冲层来隔绝器件的有源区和衬底，从而达到抑制短沟效应和漏电流的目的。本项目使用外部气体源碳掺杂的方法来制备半绝缘的氮化镓缓冲层。针对选取的几种气体碳源，进行了系统的工艺优化，主要研究了包括生长温度、反应炉的气压、掺杂浓度在内的几个重要生长参数，确定了制备高质量半绝缘氮化镓晶体材料的工艺参数，该工艺具有良好的可重复性。探索性的研究了使用上述外部气体源对氮化镓进行碳掺杂时的物理机制。针对高电子迁移率晶体管的半绝缘氮化镓缓冲层设计出了几种使用外部气体碳源进行掺杂的方案，并从制备工艺等方面进行了分析比较。同时研究了可以用于生长高频大功率器件结构的小切角碳化硅衬底的同质外延的形貌，以及在自支撑氮化镓衬底的稼面和氮面上生长的高电子迁移率晶体管外延结构所表现出的不同光学性质。本项目的研究为使用宽禁带半导体材料制备高频大功率电子电力器件提供了新思路。