(In)GaN/AlGaN/GaN异质结构中的二维电子和空穴气研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 闫俊达 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2017-06-01 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 王晓亮 |
| 关键词 | 氮化镓 异质结构 二维空穴气 二维电子气 高电子迁移率晶体管 |
| 其他题名 | Study of the Two-Dimensional Carrier Gases in (In)GaN/AlGaN/GaN heterostructures |
| 学位专业 | 微电子学与固体电子学 |
| 中文摘要 | 氮化镓（GaN）基高电子迁移率晶体管（HEMTs）具备诸多优良的性质，如临界击穿电场大、二维电子气（2DEG）浓度和电子迁移率高、耐高温、抗辐射等，非常适合高性能功率器件的研制。本论文从GaN基功率器件的研究进展和面临的技术挑战出发，基于能带工程，首先研究了增强型器件用Ga面极性InGaN/AlGaN/GaN异质结构材料的设计原则，之后探究了N面极性GaN/AlGaN/GaN HEMT材料结构中二维空穴气（2DHG）和2DEG的浓度调控机制。最后进行了相关材料的生长与器件验证。所取得的主要研究成果如下：1. Ga面极性增强型InGaN/AlGaN/GaN异质结构的理论研究首次从理论上系统研究了InGaN帽层的组分和厚度、AlGaN势垒层组分和厚度、以及InGaN中的p型掺杂对InGaN/AlGaN/GaN异质结构中AlGaN/GaN界面处的2DEG的调控作用。在一定条件下，该结构中可出现2DHG和2DEG共存。此时，InGaN/AlGaN上界面的2DHG成为一屏蔽层，阻止下界面的2DEG被InGaN耗尽。在一定的势垒层Al组分下，AlGaN势垒层存在一个临界厚度，在该临界厚度之下时，InGaN/AlGaN/GaN HEMT材料结构中2DHG和2DEG不能共存。此时，2DEG可以被一定组分、厚度的InGaN帽层耗尽。因此，要想制备增强型InGaN/AlGaN/GaN HEMTs器件，AlGaN势垒层的厚度应选取在该临界厚度以下。2. N面极性GaN/AlGaN/GaN异质结构的理论研究首次系统分析了N面极性GaN/AlGaN/GaN异质结构。在一定组分厚度的AlGaN势垒层下，AlGaN/GaN单异质结结构中存在2DHG；AlGaN层的Al组分和厚度越大，2DHG的面密度也越大。对于非故意掺杂的GaN/AlGaN/GaN异质结构而言，从理论上首次指出AlGaN/GaN下界面处的价带顶电子是GaN/AlGaN上界面处2DEG的本质来源之一，2DEG的出现依赖于AlGaN背势垒层和GaN顶层材料参数的选取。而对于AlGaN背势垒或GaN缓冲层故意掺杂（n型）的GaN/AlGaN/GaN异质结构而言，施主的电离也是2DEG的来源之一。相比Ga面极性HEMT结构，N面极性HEMT结构中沟道电子的限域能力更好，也更有利于形成极低的器件欧姆接触电阻，因而将来有望用来制备高性能功率器件。3. Ga面极性InGaN/AlGaN/AlN/GaN异质结构的实验研究设计生长了10 nm In0.1Ga0.9N/22 nm Al0.23Ga0.77N/1 nm AlN/3.5 μm GaN 异质结构材料。(-1015)晶面的倒易空间Mapping显示，InGaN、AlGaN共格生长在GaN缓冲层上。器件的转移特性曲线存在一电流平台（32.0 mA/mm），是由InGaN/AlGaN上界面的2DHG对沟道中2DEG产生屏蔽引起的。相对于无InGaN帽层的器件，该器件的阈值电压发生正向偏移（从-4.0 V增大到-2.1 V）。 |
| 学科主题 | 半导体器件 |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2017-06-05 |
| 源URL | [http://ir.semi.ac.cn/handle/172111/28218]  |
| 专题 | 半导体研究所_中科院半导体材料科学重点实验室 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 闫俊达. (In)GaN/AlGaN/GaN异质结构中的二维电子和空穴气研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2017. |
入库方式： OAI收割
来源：半导体研究所
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