AlInN基新型异质结构制备和极化、输运性质研究

本项目针对大功率高频GaN基电子器件的材料物理和器件物理的热点问题，以解决应变体系大功率器件的可靠性问题、提高GaN基异质结构的载流子迁移率和二维电子气（2DEG）限制、明确异质结构的自发极化性质及其对2DEG的作用机制、发展无应变的GaN基异质结构的材料物理和器件物理为目标，开展AlInN/GaN和AlInN/InGaN异质结构材料生长研究,和无应变的AlInN/GaN和AlInN/InGaN异质结构的极化性质和输运性质研究，获得自发极化性质及其随温度的变化规律;研究AlInN/GaN异质结构的高温下输运过程，分析2DEG的散射机制;明确In在异质结构中的凝聚和结晶状态及其对异质结构界面和2DEG输运性质的作用；在此基础上，设计并制备AlInN/GaN异质结构HEMTs原型器件，为新型高性能氮化物异质结构器件研制提供科学基础。

本项目研究重点为InAlN势垒层的无应变InAlN/GaN和InAlN/InGaN异质结构材料的MOCVD生长、结构和特性，分析自发极化和压电极化对2DEG的作用机制，探索新型HEMT器件。预期成果为：生长出高质量的无应变InAlN/GaN异质结构材料，室温下2DEG面密度高于2×1013/cm2，迁移率高于1100cm2/Vs；明确自发极化和压电极化对2DEG的作用规律和机制； 获得InGaN沟道的异质结构生长方法，有关相分凝和合金无序散射的相关结果；制备 InAlN/GaN的HEMTs原型器件；发表SCI论文10篇以上，申请国家发明专利1-2项；培养博士和硕士研究生5名以上。. 在项目实施过程中，我们开展了InAlN、InGaN、InN薄膜和InAlN/GaN、InAlN/InGaN异质结构的MOCVD生长研究，明确了InAlN/GaN外延层微结构性质受应变状态影响的规律和InAlN外延层中的形成V-defects的两种机制，实现了高质量InAlN/GaN、InAlN/InGaN异质结构，电子迁移率达到1340 cm2/Vs，对应的2DEG浓度为2.1×1013 cm-2；运用光谱学分析，说明了近匹配的InAlN/GaN中存在的特殊的In组分分凝现象和机制，确定均匀的组分分布的InAlN/GaN是相对于分凝状态的亚稳态；在低温强磁场量子输运研究中，首次观察到了In0.18Al0.82N/GaN异质结构中2DEG的双子带占据，确定了第一和第二子带中的2DEG浓度和能量差，基于电子量子散射时间的差异，表明2DEG占据性质源于InAlN强的自发极化，最主要散射机制是异质界面极强的极化电场导致界面粗糙度散射;分析了自发极化、压电极化随温度变化规律,明确了自发极化是影响InAlN/GaN异质结构电学性质温度依赖关系的主要因素；运用氟离子表面处理、热氧化方法，降低InAlN/GaN肖特基接触反向漏电流2个数量级以上，并探讨了相关物理机制；制备了InAlN/GaN HEMT器件，并通过HEMT器件静态特性变化讨论了异质结构材料均匀性的影响。. 本项目研究按照各年度计划顺利实施，已经完成项目研究内容，并取得了多项重要结果，发表SCI论文28篇，其中基金标注SCI论文26篇，申请国家发明专利 2项，获得授权4项，培养博士研究生3人，硕士生2人。