真空互联条件下的AlxInyGa1-x-yN/GaN半导体异质结能带调控机理研究

The AlInGaN quaternary alloy material features a flexible change of its band gap and lattice constant, a desirable characteristic enhancing the potential application of GaN-based heterostructures. Thus far, most of the current researches only focused on the device performance of AlInGaN/GaN heterostructures. The scarcity of the band stucture study at the interface of AlInGaN/GaN hinders an in-depth understanding of the physical nature of the degradation of device performance, as well as the improvement of the design. Therefore, the research will be focused on the band alignment of In-doped AlxInyGa1-x-yN/GaN heterostructure under the condition of vacuum interconnection without surface contamination. By studying the band bending effect at the interface in different doping heterojunctions (or different thickness of barrier layers), it can provide us theoretical guidance for designing devices. In addition, studying the band bending effect of AlxInyGa1-x-yN/GaN heterostructure under controlled atmosphere can provide experimental evidence for device degradation model as well as the guidance for the preparation of the experimental effective surface passivation layer.

AlInGaN四元合金因其具有灵活控制晶格常数(应变)和禁带宽度(能带)的特性增强了GaN基半导体材料体系的应用潜力。但是，目前大多数研究工作主要关注AlInGaN/GaN器件本身的性能，而对于AlInGaN/GaN异质结界面本征能带结构调控机理研究还很缺乏，导致人们无法深入理解器件性能退化的物理本质，阻碍了对器件的有效设计与改善。本项目将在真空互联的条件下，排除水等杂质对样品表面的污染，深入研究In掺杂的AlxInyGa1-x-yN / GaN半导体异质结构界面处本征的能带结构。通过研究不同掺杂含量，不同势垒层厚与异质结界面能带弯曲的关联，为设计器件提供理论指导和实验依据；同时，通过在超高真空下通入可控气氛，调控界面的能带，研究在可控气氛下，异质结界面能带弯曲的机理，进而为器件退化模型提供实验依据，从而为制备有效的表面钝化层提供实验指导。

本项目实现了利用角度依赖X射线光电子能谱仪精确测量样品表面和异质界面的能带弯曲行为，此方法的建立对于深入理解器件的性能意义重大。主要研究内容和成果如下：.1. 利用MOCVD生长了高质量的GaN样品，AlGaN样品和AlGaN/GaN异质结样品，利用角度依赖X射线光电子能谱测量样品的能带弯曲行为以及异质结构的能带结构。同时实验表明，表面氧化行为会大大抑制能带弯曲的行为，因此，对于表面能带弯曲和界面处能带弯曲，氧化行为对于能带结构都有很大的影响。.2. 结合理论模型摸索出一套独特的利用角度依赖XPS测量三五族半导体表面能带弯曲，界面能带弯曲的方法，并且在不同表面处理的GaN样品中验证该测量方法的实用性与可靠性。.3. 利用角度依赖XPS精确测量不同掺杂浓度的GaN样品表面能带弯曲行为，研究表明，中低掺杂浓度的样品可利用线性拟合理论模型进行分析表面能带弯曲行为，但是重掺样品则需要利用二次近似拟合进行分析，此研究对于理解复杂器件物理中的行为极其重要。.4. 利用超高真空原位解离GaN bulk样品，测量真空互联中C，O吸附随时间对GaN bulk能带的影响。利用角度依赖X射线光电子能谱在真空互联条件下测量GaN样品，AlN样品和AlN/GaN异质结样品的能带弯曲行为以及异质结的能带结构。