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GaAs/AlGaAs HEMT材料的结构与电学性能研究

姚官生  
【摘要】: 本文采用分子束外延(MBE)方法在GaAs(001)衬底上成功制备出了高质量GaAs/AlxGa1-xAs HEMT(高电子迁移率晶体管)材料。研究表明,该材料室温下电子迁移率为7950cm2/V·s,面电子浓度为6.25×1011cm-2,77K时迁移率达到140000cm2/V·s,面电子浓度为5.78×1011cm-2,居国内领先水平。 首先,我们采用Daniel Delagebeaudeuf和Nuyen T.Linh的理论模型模拟了HEMT材料面载流子浓度ns与体掺杂浓度ND、空间隔离层厚度di、AlxGa1-xAs中Al组分含量x以及空间隔离层厚度和迁移率之间的关系,结合模拟结果进行了材料结构设计。 然后,通过生长不同结构的薄膜实现了对HEMT样品MBE生长条件的控制:为了控制Si掺杂浓度生长了Si掺杂GaAs外延薄膜;为了控制Al的组分x生长了GaAs/AlxGa1-xAs异质结薄膜;为了控制空间层厚度生长了GaAs/AlxGa1-xAs超晶格样品。根据材料设计结果和优化工艺条件得到了高面电子浓度和高电子迁移率的HEMT材料。 采用x射线双晶衍射(DXRD)对材料的晶体结构特性进行分析,电化学C-V方法用来研究材料的掺杂特性,用原子力显微镜(AFM)研究了材料的表面形貌,用Hall测试来研究材料的电学性能。 研究发现,衬底温度对材料的性能影响非常大:在640℃下生长的异质结和HEMT样品,其表面非常平整,表面粗糙度非常小;随着衬底温度的升高,HEMT样品的ns和μ都会有很大的提高。 材料的工作温度和空间隔离层厚度对HEMT的电学性能都有很大的影响。随工作温度的降低HEMT样品的μ逐渐增加,ns逐渐减小,在77K时的迁移率和面电子浓度比在300K时有非常大的提高;随空间隔离层厚度的增加HEMT材料的迁移率会逐渐增加的,而面电子浓度是逐渐减小的。 最后我们研究了快速退火对HEMT材料电学性能的影响。研究表明随着退火温度的升高HEMT材料的电子迁移率有所下降。但另一方面,在一定范围内,随退火温度的增加HEMT材料的面电子浓度却逐渐增加。


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