硅衬底GaN基HEMT器件中缺陷及其对2DEG载流子输运特性影响机理研究

In this project, optical and electrical techniques are employed to investigate defects in AlGaN/GaN HEMT on Si, and the impacts of different defects on the transport properties of the 2DEG carriers. By incorporating adjustable optical penetration method into electrical measurements, the charge state of defects in different layers of a HEMT structure can be intentionally modified, which enables identification of the position of defects specific to AlGaN, GaN, AlGaN surface or AlGaN/GaN interface. With the position identification and the integrated characterization of both the optical and electrical properties, the structural and electronic nature of the defects can be revealed. Based on the revealed nature and their location distribution of the defects, the formation mechanism of new defects caused by high-power, high-voltage conditions in working HEMT will also be investigated, focusing on their spatial distribution and the its effect on 2DEG transport behaviors. Optoelectrical experiments with both space and time resolution will be performed to identify the impacts of different surficial/interfacial states and those in AlGaN and GaN on different dynamical interactions including recombination, scattering, trapping, and tunneling, and the interacting nature on transporting electrons in 2DEG will be understood. The discovery and conclusions of this study are believed to provide critical guidance for material growth and structure design of GaN-based devices on silicon.

硅衬底GaN基电力电子器件中复杂的缺陷问题，制约着器件电学性能的提升。目前主流电学测量方法只能观测输运特性中的多种缺陷态的综合效应，难以精细区分不同缺陷的特征贡献，限制了对缺陷态本质的深入认识。本项目采用光学调控与电学测量相结合的实验手段，通过对HEMT不同功能层中缺陷态荷电状态的选择性调制，实现对原生缺陷态和大电流/高电场条件下新生缺陷态的分布位置识别，进而结合光学和电学特性揭示缺陷态的本质；利用时间分辨的光电探测技术，深入分析HEMT结构中表面态、界面态以及AlGaN和GaN材料内部点缺陷与扩展缺陷对2DEG载流子复合、散射、俘获、隧穿等行为的动力学特征，研究AlGaN和GaN功能层、AlGaN表面及AlGaN/GaN界面不同区域所特有缺陷态对2DEG载流子输运行为的影响机理。本研究通过对缺陷态本质及其对2DEG载流子输运特性影响机理的深入认识，进而指导高质量材料生长和高性能器件研制。

在本项目(批准号：61674166)资助下的研究工作中，我们采用光学和电学测试表征方法相结合的策略，对GaN基半导体材料和硅基生长的AlGaN/GaN HEMT器件中的缺陷问题进行了系统的研究。HEMT结构的电输运特性直接决定了其器件性能表现，而其组成半导体材料和器件结构中的缺陷又严重影响着载流子的输运特性，故而我们聚焦了GaN基材料体系中缺陷问题以及GaN、AlGaN表面和AlGaN/GaN界面中缺陷问题的研究。利用穿透深度可调的光学方法，我们发展了一种光谱学测量技术，用于半导体材料和层状异质结构中发光中心的物理深度确定。通过不同深度下各类发光中心的光谱学特征分析，我们研究了GaN 材料体系和 AlGaN/GaN、InGaN/GaN多层异质结构中的特征缺陷及其光学相关特性。通过系统的光致发光光谱测量和低温带边特征发光光谱分析，我们对GaN、InGaN和AlGaN等材料和结构中的碳、硅、氧、铁等杂质的特征光谱学特征进行了解析和标定，从而研究了相关缺陷的结晶学根源和电子学能态特性。我们建立的光谱学研究方法，已经应用于InAs/GaAs自组装量子体系的光谱学测量和纳米半导体材料的光谱解析中。受本项目资助，在为期一年的研究工作中，已经取得了系统的实验数据和有价值研究成果，并据此完成了4篇研究论文的撰写，其中2篇已经分别在ACS Photonics 和 Inorganic Chemistry Frontiers杂志上发表，另外2篇文章还在审稿当中，有望于2018年发表。另外，项目组成员参加过两次会议并做邀请报告，并有三名研究生在该项目资助下开展研究工作。