非极性a面InAlN薄膜及其异质结构研究

In view of the huge application potential and research challenge of the nonpolar InAlN films and heterostructures in microelectronic field, this project takes the integration of measures including fabrication technologies and characteristics mechanism research to investigate it in detail. The in-depth investigation falls into three aspects: scattering mechanism and transport properties analysis of the nonpolar a-plane InAlN/GaN heterostructures, growth of high-quality nonpolar a-plane InAlN films, and design optimization of the nonpolar a-plane InAlN/GaN heterostructures. The scattering mechanism of the nonpolar a-plane InAlN/GaN heterostructures is explored and the models of the momentum relaxation rate and the low field mobility are built. Innovative technologies of nanometer patterned substrates, thermal decomposition combined with regrowth, control of the induced stacking faults, and divided transportation of the react precursors are proposed to grow high-quality nonpolar a-plane InAlN films, and the kinetics of crystal growth and defects formation and control mechanism are investigated. By optimizing the core growth parameters of the nonpolar a-plane InAlN/GaN heterostructures, the modulation techniques of lattice match, potential barrier match, potential well match and electron blocking layer match are implemented, and the test system in multi-physical field are built. This project keeps up with the leading edge of the semiconductor research field, and the results in this work will fill up the technique blank on nonpolar InAlN in domestic related field, as well as promote the development of research and industrialization of high-performance nitride semiconductor devices.

本项目基于新型非极性InAlN薄膜及其异质结构在微电子应用领域的巨大潜力和研究挑战，从散射机制及输运理论分析，高质量非极性InAlN薄膜材料生长，高性能非极性InAlN/GaN异质结构优化设计等方面对其制备技术及特性机理进行深入研究。探究非极性a面InAlN/GaN异质结构各散射机制作用机理，建立对应动量弛豫率及载流子低场迁移率模型。提出衬底纳米图形构建、热分解-再生长、层错诱导调控、反应源分时输运等创新型技术制备高质量非极性a面InAlN薄膜材料，研究薄膜外延生长动力学原理、缺陷形成机理及调控规律。对非极性a面InAlN/GaN异质结构核心参数进行优化设计，实现晶格匹配、势垒匹配、势阱匹配、电子阻挡层匹配等调制技术，并建立多物理场下表征系统。本项工作属于国际半导体研究前沿，旨在填补我国相关研究领域的技术空白，为推动高性能氮化物半导体器件研究和产业化进程提供科学技术支撑。

以AlGaN/GaN异质结为基础的高电子迁移率晶体管(HEMT)研究在过去二十年中取得了巨大的进展。随着对器件特性要求的日益提升，AlGaN/GaN异质结的局限性逐步显现出来，主要体现在2DEG限域性差、载流子迁移率瓶颈以及晶格失配导致器件可靠性下降等问题上。非极性InAlN异质结构具有两个方面突出优势。首先，非极性InAlN异质结构规避了正偏压下高浓度2DEG以及量子斯塔克效应，可以满足高性能增强型器件及高效率光电器件制备需求；其次，非极性InAlN能够对异质结能带结构进行调制，增大其与势垒层及缓冲层之间的能带带阶，增强2DEG的限域性，有利于提升器件的输出功率和可靠性。本项目主要针对非极性InAlN势垒异质结材料生长优化及制备表征等方面展开研究，取得的主要成果如下：.1.基于分时输运理论，提出了数字合金有机物化学气相淀积(MOCVD)技术生长非极性InAlN材料，实现了材料质量的显著提升。重点讨论了数字合金InAlN薄膜材料特点，实现了原子级别的外延生长调控，得到了理想外延工艺窗口，并建立了多物理场下非极性InAlN材料表征系统。.2.成功制备了高质量非极性InAlN/GaN异质结材料，并通过实验解决了沟道生长温度和沟道厚度选择这两个核心问题，优化得到了InAlN势垒的最优生长条件。在最优生长条件下，InAlN/GaN异质结材料沟道表面和异质结表面光滑平整，呈现清晰台阶状形貌，粗糙度均方根(RMS)分别达到0.69nm和0.65nm。InAlN/GaN异质结高温(360K以上)环境下电学特性优于常规AlGaN/GaN异质结，同时300K下2DEG迁移率高达1110cm2/Vs。.3.成功制备了晶格匹配、势垒匹配、势阱匹配、电子阻挡层匹配的非极性InAlN/GaN异质结材料，并提出创新型两步法AlN插入层结构改善异质结输运特性。两步法AlN插入层成功解决了InAlN势垒质量和界面形貌之间的矛盾，将InAlN/GaN异质结构方块电阻降低至394欧姆/方块。.综上所述，本项目分别从结构设计、材料生长优化、特性表征分析等方面对非极性InAlN异质结构进行了全面且深入的研究，实现了多项特性突破。基于本项目发表高水平期刊论文15篇，授权发明专利4项。本项目取得的多项成果为后续高性能氮化物异质结构电子器件的研究起到重要的指导和参考。