本文選題：Si基GaN + 應力調(diào)控　； 參考：《西安電子科技大學》2015年碩士論文

【摘要】：近年來,Si基GaN材料及器件研究的關注度越來越高。Si基GaN材料具有兩方面的主要優(yōu)勢：一方面是源于Si基襯底材料。Si襯底具有成本低、尺寸大的優(yōu)點,同時自身的熱導率較好,并且與傳統(tǒng)的Si器件工藝兼容性好,基于以上的優(yōu)勢,Si基材料一直都被研究人員所看好。另一方面,GaN材料禁帶寬,擊穿電場高,熱導率高以及抗輻照能力強等特點使得GaN材料成為制作高頻大功率、耐高溫、抗高壓以及抗輻照電子器件以及光電子器件的理想材料。但是由于Si襯底與GaN外延層之間存在著較大的晶格失配和熱失配,所以Si襯底上GaN外延層中受到很強的張應力,甚至材料表面容易出現(xiàn)裂紋,這是制約硅基GaN技術的重要難題之一。同時AlGaN/GaN異質(zhì)結構和HEMT器件性能在很大程度上得益于其材料體系內(nèi)部的自發(fā)極化和壓電極化效應,外延薄膜中的應力會對器件性能造成顯著影響。因此本文圍繞應力對硅基GaN材料和器件的影響,一方面通過硅基GaN材料生長方法的研究希望能夠降低GaN外延薄膜的張應力,另一方面通過施加外部應力,深入研究應力對Si基GaN HEMT器件性能的影響。本文的具體工作及結論如下：1. 針對硅基GaN外延材料應力過大和裂紋問題,通過改進應力調(diào)控過渡層的結構,有效抑制了裂紋和應力,并顯著提高了硅基GaN材料的質(zhì)量。首先對傳統(tǒng)由生長程序生長的樣品,進行表面形貌表征,結晶質(zhì)量表征,發(fā)現(xiàn)材料結構中的A1N成核層以及AlGaN緩沖層對GaN外延層的影響較大。所以,本文對成核層采用在藍寶石襯底上進行優(yōu)化過的三步法生長方式進行設計,即高溫A1N+低溫A1N+高溫A1N結構。同時為了減小生長中的品格失配問題,本文設計加入兩層變鋁組分的AlGaN緩沖層結構,即高鋁組分的Al0.5Ga0.5N層與低鋁組分的Al0.25Ga0.75N進行兩步法生長。并對生長獲得的Si基GaN異質(zhì)結材料進行材料表征對比分析。我們發(fā)現(xiàn)采用新結構生長的Si基GaN材料表面沒有裂紋的出現(xiàn),說明由于失配導致的應力被有效的緩解釋放了。同時,與樣品A對比,設計生長的樣品B的螺位錯密度下降了一個數(shù)量級,刃位錯密度下降了兩個數(shù)量級。通過TEM的表征,發(fā)現(xiàn)位錯主要湮滅在變鋁組分的AlGaN緩沖層,說明漸變Al組分的AlGaN緩沖層可以有效降低Si基GaN材料內(nèi)的位錯。2. 研制出Si基GaN異質(zhì)結材料MIS-HEMT器件樣品,并對器件的直流特性和界面特性進行了深入分析研究。對MIS-HEMT器件的性能進行表征,主要對器件的歐姆接觸特性、輸出特性、轉移特性以及柵的MIS電容特性進行表征分析。并通過C-V曲線計算獲得器件的界面態(tài)密度。3. 通過應力施加臺對器件施加不同程度的機械應力,并對不同應力下的器件特性進行測試。首先,通過拉曼測試發(fā)現(xiàn),隨著應力的增大,GaN外延層的拉曼峰位發(fā)生紅移,說明GaN材料受到的張應力增大了。隨后,通過對不同應力下的器件特性對比分析,發(fā)現(xiàn)隨著外加應力的增大,器件的飽和漏電流逐漸增大,載流子的濃度也隨著外加應力的增大而增大,而界面態(tài)密度卻沒有發(fā)生明顯的變化。對比結果說明,由于界面態(tài)密度沒有明顯變化,所以二維電子氣的增加主要是由于外加應力導致的。外加應力增大導致拉曼峰位發(fā)生紅移,導致材料的載流子濃度增大,從而器件飽和輸出電流增大。
[Abstract]:In recent years, more and more attention has been paid to the research of Si based GaN materials and devices..Si based GaN materials have two main advantages: one is that.Si substrate from Si based substrate has the advantages of low cost, large size, good thermal conductivity, and good compatibility with the traditional Si device technology. Based on the above advantages, Si based materials On the other hand, the GaN material has the characteristics of high high power, high thermal conductivity and strong radiation resistance, which makes GaN material become a material for making high frequency, high temperature, high temperature resistance, high pressure resistance, anti irradiation electronic devices and optoelectronic devices. But because of the memory between the Si substrate and the GaN epitaxial layer In the larger lattice mismatch and thermal mismatch, the strong Zhang Yingli in the GaN epitaxial layer on the Si substrate, and even the cracks on the surface of the material, is one of the important problems that restrict the silicon based GaN technology. At the same time, the properties of AlGaN/GaN heterostructures and HEMT devices are largely due to the spontaneous polarization and pressure within the material system. The effect of the electrical polarization, the stress in the epitaxial film will have a significant effect on the performance of the device. Therefore, in this paper, the effect of the stress on the silicon based GaN materials and devices, on the one hand, is hoped to reduce the tensile stress of the GaN epitaxial film by the study of the silicon based GaN material growth method. On the other hand, the stress on the Si based G is deeply studied by applying the external stress. The effect of aN HEMT device performance. The specific work and conclusion of this paper are as follows: 1. in view of excessive stress and crack problem of silicon based GaN epitaxial material, by improving the structure of stress regulating transition layer, the crack and stress are effectively suppressed, and the quality of silicon based GaN material is greatly improved. The surface morphology characterization, the crystallization quality characterization, the A1N nucleation layer in the material structure and the AlGaN buffer layer have great influence on the GaN epitaxial layer. Therefore, this paper designs the three step method for the optimization of the nucleation layer on the sapphire substrate, that is, the high temperature A1N+ low temperature A1N+ high temperature A1N structure. The problem of lattice mismatch is to design a AlGaN buffer layer with two layers of Al component, that is, the growth of the Al0.5Ga0.5N layer of the high aluminum component and the Al0.25Ga0.75N of the low aluminum component, and to compare the material characterization of the Si based GaN heterojunction materials obtained by the growth. We found that the surface of the Si based GaN material used for the growth of the new structure is not on the surface. The occurrence of the crack indicates that the stress caused by mismatch is released effectively. At the same time, compared with the sample A, the snail dislocation density of the designed sample B drops by one order of magnitude and the dislocation density of the blade is reduced by two orders of magnitude. By the TEM characterization, it is found that the dislocation mainly annihilated in the AlGaN buffer layer of the variable aluminum component, indicating the gradient Al group. The split AlGaN buffer layer can effectively reduce the dislocation.2. in the Si based GaN material and develop the Si based GaN heterojunction material MIS-HEMT device samples, and analyze the DC and interface characteristics of the devices. The performance of the MIS-HEMT devices is characterized, mainly the ohm contact characteristics, the output characteristics, and the transfer characteristics of the devices. The MIS capacitance characteristic of the gate is characterized and analyzed. The interface state density of the device is calculated by the C-V curve and the mechanical stress is applied to the device by the stress application to the device, and the device characteristics under different stresses are tested. First, the Raman test shows that the Raman peak of the GaN epitaxial layer occurs with the increase of the stress. The red shift indicates that the tensile stress of the GaN material is increased. Then, through the comparison and analysis of the device characteristics under different stresses, it is found that the saturation leakage current of the device increases with the increase of the applied stress, and the concentration of the carrier increases with the increase of the applied stress, but the density of the interface states has not changed obviously. It is shown that the increase of the two dimensional electron gas is mainly due to the external stress. The increase of the external stress causes the red shift of the Raman peak, which leads to the increase of the carrier concentration and the increase of the saturation output current of the device.

【學位授予單位】：西安電子科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TN386

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本文編號：1891894