超宽禁带BAlN/GaN异质结材料制备及器件研究

For the GaN based Heterostructure Field-Effect Transistors (HFETs), the frequency characteristics have been limited by the size of the devices, and new theories and methods are needed to improve the frequency characteristics. Super-wide band gap BAlN materials are the alloy of BN and AlN and it combines the advantages of the both. Due to super-wide band gap offset and high spontaneouspolarization, the new type BAlN/GaNheterostructurehas high two dimension electron gas (2DEG) density as long as with super-thin barrier (~1-2 nm), which made BAlN/GaN HFETs become one more important technical route to realize high frequency devices and ultra-high speed circuits.Therefore, this project will proceed with four aspects of innovation as follows. Firstly,we will propose the theories of energy band engineeringand polarization in order to design the heterostructures. Secondly, we will prepare controllable component and single phase BAlN materials andBAlN/GaNheterostructures through studying growth modes and growth kinetics of BAlN materials. Thirdly, carrier transport characteristics will be studied by theory and experiments, combining with theories of energy band engineeringand polarization, to optimization design the BAlN/GaNheterostructures. Lastly, by breaking the passivation, ohmic contact and gate technologies, high frequency BAlN/GaN HFETs can be obtained.

超宽禁带BAlN合金化合物集BN和AlN材料优势为一身，兼具超大禁带宽度和超大极化系数，新型BAlN/GaN异质结材料界面带隙差超大，拥有超大自发极化效应，只需要相对较薄的BAlN势垒层（~1-2 nm）就能得到很高的2DEG浓度，这些特点使BAlN/GaN HFETs 器件成为高频高压器件和超高速电路应用的又一重要技术路线。为此，本项目进行了以下四方面的创新研究：1.开展BAlN/GaN异质结材料能带工程和极化理论研究，进行能带剪裁，指导结构设计；2.BAlN材料生长模型控制和生长动力学研究，获得组分可控、单一相的BAlN材料以及BAlN/GaN异质结材料；3. BAlN/GaN异质结二维电子气输运特性的理论和实验研究，结合能带工程和极化理论研究，优化设计BAlN/GaN异质结构；4.突破关键工艺技术，制备出BAlN/GaN异质结场效应晶体管器件。

宽禁带 GaN 基半导体材料是第三代半导体材料，具有更高的电子饱和漂移速度和峰值漂移速度，AlGaN/GaN 异质结材料具有更高的击穿电压和二维电子气浓度，制备的高频大功率器件具有更大的带宽、更高的工作电压、更大的输出功率和效率，AlGaN/GaN 异质结场效应晶体管（HFETs）已广泛应用于微波功率放大器（PA），涵盖 L（1-2 GHz）至 W（75-110 GHz）波段，在军用和民用领域具有广阔重要的应用前景，受到了世界各国的高度重视。但短沟道效应限制了 AlGaN/GaN HFETs 器件在 W 波段以上频段的高频器件和超高速电路中的应用。.本课题设计了新型 BAlN/GaN 异质结材料，利用其界面带隙差超大，超大自发极化效应，在较薄的 BAlN 势垒层（~1-2 nm）实现高的 2DEG 浓度的特点，可以有效地抑制器件尺寸等比例缩小带来的短沟道效应，还能大幅降低寄生沟道电阻。同时BAlN 拥有的超宽禁带宽度可以有效提高 BAlN/GaN HFETs 器件的击穿电压，促进其在超高压领域的应用。.本课题针对BAlN/GaN异质结材料能带工程、BAlN生长动力学、BAlN/GaN异质结电子输运特性等展开研究，主要研究内容包括：（1 ）BAlN/GaN 异质结 材料能带工程和极化理论研究，（2） ） BAlN 材料 生长动力学，（3 ）BAlN/GaN 异质结材料输运特性与材料表征研究，（4 ）优化材料和器件结构，实现 BAlN /GaN HFETs 器件。通过本课题的研究，掌握 了BAlN/GaN 异质结材料的外延生长机理和生长模型，实现了BAlN势垒层厚度为1.8nm的BAlN/GaN异质结材料生长，材料室温迁移率达到1833 cm2/V·s，面电子密度到达2.3E13/cm2，缓解了高电子浓度下的短沟道效应，为实现更高频率器件提供了基础。