SiC衬底GaN基材料MOCVD生长及HEMT器件研制

发布时间：2019-02-17 13:46

【摘要】：GaN材料因其禁带宽度大、电子饱和速率较高、耐高压、抗辐射并有独特的极化效应的特点,成为制作高温、高频、大功率以及抗辐照的微波电子器件的理想的材料。GaN基微电子器件,尤其是AlGaN/GaN HEMT的微波功率器件在如相控阵雷达、电子对抗、灵巧武器、卫星通讯、航空航天、通信基站等领域有极为广阔的应用前景。GaN材料一般采用异质外延生长方法来获得,SiC衬底与GaN材料的晶格失配和热失配小,用SiC衬底作GaN材料外延生长的衬底非常适合。同时,SiC衬底具有良好的热导率,利于散热,非常适合用于制作AlGaN/GaN HEMT微波功率器件。但是,SiC衬底毕竟和GaN材料之间还是有一定的晶格失配,而且SiC衬底外延生长的GaN材料会产生张应力,容易导致GaN外延层开裂。因此,在SiC衬底上外延生长GaN基HEMT器件还需要一定的研究工作。本文以SiC基GaN材料的外延生长中出现的主要问题为出发点,围绕着SiC基GaN异质外延缓冲层设计、插入层设计、材料性能表征、SiC基AlGaN/GaNHEMT的结构材料生长和器件性能表征等方面展开研究,主要研究结果如下：1.研究了A1N缓冲层对SiC基GaN外延层的外延生长的影响,优化了AlN层的温度、厚度和生长Ⅴ/Ⅲ。研究发现,优化的AlN缓冲层能够减弱GaN层的开裂情况,并且能提高GaN外延层的晶体质量。2.研究了A1GaN插入层对SiC基GaN外延层的外延生长的影响,优化了AlGaN的生长条件。在2英寸SiC衬底上外延生长出1.8μm表面无裂纹的GaN薄膜材料。材料表面平整光亮,AFM 2μm×2μm均方根粗糙度为0.150nm,双晶XRD衍射GaN(002)衍射峰半高宽为129.2arcsec,(102)衍射峰半高宽为 176.8 arcsec.3.研制出了表面无裂纹的SiC基AlGaN/GaN HEMT结构的材料。二维电子气面密度是3×1012 cm-2,并且室温(300K)下的二维电子气迁移率为2029cm2/V·s,均方块电阻值为259.1 Ω/sq。该HEMT结构材料的二维电子气性能优异。4.采用我们研制的材料,完成了HEMT器件工艺,并进行了器件验证。
[Abstract]:Because of its wide band gap, high electron saturation rate, high pressure resistance, radiation resistance and unique polarization effect, GaN materials have become high temperature, high frequency, Ideal materials for high-power and irradiation-resistant microwave electronic devices. GaN based microelectronic devices, especially AlGaN/GaN HEMT microwave power devices, such as phased array radar, electronic countermeasures, smart weapons, satellite communications, aerospace, GaN materials are generally obtained by heteroepitaxial growth. The lattice mismatch and thermal mismatch between SiC substrate and GaN material are small. SiC substrate is suitable for GaN epitaxial growth. At the same time, the SiC substrate has good thermal conductivity and is favorable for heat dissipation. It is very suitable for the fabrication of AlGaN/GaN HEMT microwave power devices. However, there is still some lattice mismatch between SiC substrate and GaN material, and the GaN material grown on SiC substrate will produce tensile stress, which will easily lead to GaN epitaxial layer cracking. Therefore, it is necessary to study the epitaxial growth of GaN based HEMT devices on SiC substrate. Based on the main problems in the epitaxial growth of SiC based GaN materials, this paper focuses on the design of SiC based GaN heteroepitaxial buffer layer, the design of insertion layer, and the characterization of material properties. The structural material growth and device performance characterization of SiC based AlGaN/GaNHEMT are studied. The main results are as follows: 1. The effect of A1N buffer layer on the epitaxial growth of GaN epitaxial layer based on SiC was studied. The temperature, thickness and growth of AlN layer were optimized. It is found that the optimized AlN buffer layer can attenuate the cracking of GaN layer and improve the crystal quality of GaN epitaxial layer. The influence of A1GaN insertion layer on the epitaxial growth of SiC based GaN epitaxial layer was studied. The growth conditions of AlGaN were optimized. GaN thin films without cracks on 1.8 渭 m surface were grown by epitaxial growth on 2 inch SiC substrates. The surface of the material is smooth and bright. The root-mean-square roughness of AFM 2 渭 m 脳 2 渭 m is 0.150nm, the half maximum width of double crystal XRD diffraction GaN (002) diffraction peak is 129.2 arcsecand the half width of (102) diffraction peak is 176.8 arcsec.3.. A surface crack free SiC based AlGaN/GaN HEMT structure material has been developed. At room temperature (300K) and 3 脳 1012 cm-2, the two-dimensional electron gas mobility is 2029cm2/V s, and the average square resistance is 259.1 惟 / sq.. The HEMT structure material has excellent two-dimensional electron gas performance. 4. Using the material we developed, the process of HEMT device is completed, and the device verification is carried out.
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN304.055;TN386

【共引文献】

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本文编号：2425225