近晶格匹配InAlN_GaN材料结晶质量和电学特性相关性研究

摘 要 摘 要 随着第三代半导体规以避免晶格失配而产生的问题，引起了科研人员的广泛关注。晶格匹配的21013并且在 800 s），形成典型的二维电子气（2导。然而，且不同样品结晶质量的差异和电学特性实验数据的分散性等问题使得这一研究课题变得相当困难。本文针对这一课题，以理论实验综合分析的手段对采用脉冲式要工作和成果如下： 1. 实现了对示了较了相同结构的发现在较高温度下对22. 通过高分辨拉曼散射、原子力显微镜（手段分析发现低了3. 以且使2温下013尔迁移率分别为949s，77s。 4. 以综合考虑声学形变势散射、压电散射、极性光学声子散射、位错散射、合金无序散射和界面粗糙度散射等散射机制的2过计算结果可观察出了晶体结晶质量和表面形貌对其电学特性的影响；一方面显著改善异质结界面，抑制了界面粗糙度散射，这与前述实验近晶格匹配征结果完全一致。 5. 在上述迁移率解析模型的基础上，结合2果显示关键词：维电子气 迁移率 of aN of by aN an 8% it be aN a by In aN 21013is in lN is aN 800 s）aN of lN s of In we aN aN by by as 1. aN aN by s s It on lN It aN by at by aN aN 2. It lN of of aN aN by 晶格匹配 , 3. -V lN aN 00K, 013013aN aN 49s 437s. 7K, aN aN 032s 308s, 4. of of aN aN on a as It aN lN of 5. It of aN aN a of as a at in a of of It aN 2 目 录 摘 要 . i . 一章 绪论 . 1 言 . 1 . 3 族氮化物的基本物理特征 . 3 . 5 . 6 . 7 . 8 文的研究意义和内容安排 . 9 第二章 料基本理论 . 13 . 13 . 15 . 19 维薛定谔. 19 . 21 . 25 章小结 . 28 第三章 料的生长和表征 . 29 . 29 . 30 . 30 . 33 . 35 . 36 . 39 . 39 . 42 章小结 . 45 第四章 料 2移率的研究 . 47 . 47 . 50 . 50 . 53 . 56 近晶格匹配 . 58 . 60 章小结 . 62 第五章 总结 . 65 致谢 . 67 参考文献 . 69 攻读硕士期间的研究成果和参加的科研项目 . 75 第一章 绪 论 1 第一章 绪论 言 第一代半导体材料着技术的进步增益和低噪声的要求，第二代半导体材料而并且是在牺牲工作频率前提下获得的，人们迫切的需要找到一种能够适用于更高频、高增益和强辐射的材料，第三代半导体材料第三代半导体材料即宽禁带（导体材料，包括金刚石(。与传统的半导体材料相比，第三代半导体材料在高频、高压和大功率等领域具有明显的优势，对第三代半导体材料的研究以成为当今研究的热点。从20世纪90年代开始，前已被广泛用于制造发光二极管(光电器件。各项参数中可以看出具有禁带宽度最宽、极高的峰值电子速度和饱和电子速度。它适合 种半导体常见的性能参数 物理参数 带宽度Eg(对介电常数 穿电场) 6105 05 06 5106 电子饱和速度vB(cm/s) 1107 2107 2107 07 电子迁移率 n(s) 1500 6000 800 1600 热导率k(W/辐照能力(/104) 175 175 650 600 11 410 790 16 34 100 2 近晶格匹配作高速及微波器件，是因为两种或两种以上的结构在室温下可以获得很高的电子迁移率（1500s），极高的峰值电子速度（3107cm/s）和饱和电子速度（2107cm/s），并可以在不掺杂的情况下仅靠极化作用就可获得比第二代化合物半导体异质结器件中更高的二维电子气（2度，有利于提高诸如场效应晶体管等器件的性能。而且，此，在相同掺杂浓度和外加电压的条件下，而是制作高温、高频、微波大功率器件的理想材料弹、雷达、通信、航空航天等领域得到了初步的体现。 从且具有广阔的应用前景。然而，在时质结材料中的晶格失配会产生两种后果：一，晶格失配会在使响可能引起器件的可靠性问题二，在通常的而也会存在逆压电极化效应器件工作时栅极和源极间会有较高的电压，栅源间的电场可能会使应的2. 为除了上面指出的晶格匹配的料还具有其优异的电学特性。一般33%之间，我们取有代表性的值28%，认为见晶格匹配靠自发极化就能产生高密度的2适用于高压和大功率场合。通过求解自洽的薛定谔现晶格匹配的在高温下对这些高密度的2鉴于晶格匹配的于够与于近晶格匹配众所周知，要表现在：首先，生长温度相差较大，第一章 绪 论 3 右，另外，于长高质量的此对然于晶格匹配有很多人进行晶格匹配着生长工艺的不断进步以及材料生长难题的逐渐解决，目前已经有不少文章报道高质量的氮化物研究报道文章的数目，在2000年左右才逐渐有文章报道关于道的数量随着年份不断的增加。 1970 1980 1990 2000 族氮化物在不同年份报道文章的数目随着科技的不断进步，人们对功率器件的额定功率、频率和可靠性的要求不断的提高，相应的对材料的要求也不断的提高，晶格匹配此背景和前提下，本文主要针对进晶格匹配的 族氮化物的基本物理特征 族氮化物主要包括有六方对称的纤锌矿和立方对称的闪锌矿两种结构，a）和（b）所示。 族氮化物的稳定结构是六方对称性的纤锌矿结构，其空间群为六方单胞组成，因具有两个晶格常数个单胞由两个沿c/8) 4 近晶格匹配a）纤锌矿结构 （b）闪锌矿结构 六角密堆积的子晶格套构而成。闪锌矿结构由立方单胞构成，单胞中的原子位置与金刚石晶体结构相似，这两种结构的单胞都是由沿着体对角线方向平移1/4体对角线距离的两个面心立方子晶格镶嵌而成。在族氮化物的两种结构中，每个样，每个两种结构的最大不同是原子层的堆积顺序不同。对闪锌矿结构，原子堆积方式为：纤锌矿结构，原子堆积方式为：同的晶胞结构具有不同的晶体特性，锌矿结构数 纤锌矿结构锌矿带宽度 （300 带隙温度系数（300 4/ ( ) 0 /dT = 带隙压力系数（300 3/ ( ) 0 /dP eV 热导率 k W 晶格常数 nm c = 热膨胀系数 6/ 0= 6/ 0= 电子有效质量 0(折射率 (1 ) , ( 介电常数 第一章 绪 论 5 一般情况下纤锌矿结构的族氮化物是稳定存在的，因此我们研究的后我们所提的为六方纤锌矿结构，同的是常表示为中x分别为们研究的纤锌矿结构带宽度Eg（自发极化) 晶格常数a（） 晶格常数c（） 弹性常数弹性常数08 92 92x+108(1373 224 224x+373(1压电常数） 压电常数） 此在了而形成大提高了于2003年，人6 近晶格匹配过实验的方法得出在常压下无法融化，只有在2200以上，6拉法和布里奇曼法不能用于932年，一次成功的合成了黑色的 论 7 粉末。一直到1968年，用方法是通过将后在衬底表面与随后的二十年里，通过宝石衬底低温的核层和插入层的采用都使9。 于面给出1993年，蓝宝石衬底上制备出了证明了二维电子气（2存在，室温下测量得到2移率在 400在同一年研制出了 在1993年们发现远超出了应用于高压功率开关场合的异质结双极晶体管(1993年至今后，随着工艺水平的改进，材料质量不断提高，蓝宝石衬底H）的2面做一个简单的总结。 首先在996年，到1998年 关于000年道了振荡频率高达140002年道了用005年，用013导为168mS2007年，南罗莱纳州大学的道了高功率附加效率的件，其功率密度20W/功率附加效率最高为74%。 关于002年道了截止频率121高振荡频率为165005年，邵刚等人道了基于8 近晶格匹配宝石衬底的高性能流跨导为197mS/007年，日本 着格匹配此晶格匹配的对晶格匹配于以对2000年到现在面主要就2001年，M. J. 究了且测试了富别为n1019n1010用高电子迁移率晶体管模型计算对于205%。 2003年，T. 实验入手研究用光学吸收系数计算出禁带宽度和且确定弯曲系数究了2004年，A. 24%的生长材料的基础上制作的晶格匹配时013移率为406s，入013迁移率却增加到1500s，这是最早关于006年，M. 晶格匹配的过s，实验表明第一章 绪 论 9 2007年，在固定情况下通过生长晶格匹配时二维电子气的最大迁移率为1510 s，采用该材料制成的mS/我们实验室采用自主研发的脉冲式温时二维电子气的密度为(1013 移率高达1402 s，细情况见文献 随着生长工艺的不断进步，器件方面我们实验室也取得的一定的成果在4大源漏电流密度达1A/导为310mS/件的截止频率为39011年M. 道了功率要是研究热效应对随着生长工艺不断进步以及对. 1探索了在非极性且提出了一种采用征应力和临界厚度的方法，并且指出了非极性的性紫外发光器件和布拉格反射镜等领域有广阔的应用前景。 文的研究意义和内容安排 本文是在国家科技重大专项(批准号: 200802)、国家自然科学基金重大项目(批准号:60890191)、国家自然科学基金重点项目(批准号:60736033)、高等学校博士学科点新教师基金项目（批准号:200807011012）资助下的关于先通过求一维薛定谔/泊松方程的自洽解，对出用我们实验室自主研发的脉冲式过各个表征手段对生长的材料进行表征，包括拉曼散射、实了迁移率的理论模型上