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宽禁带GaN基半导体材料有禁带宽度大,电子饱和漂移速度大,化学稳定性好,抗辐射,耐高温,容易形成异质结等优势,成为制造高温,高频,大功率,抗辐射高电子迁移率晶体管(HEMT)的首选材料,是目前国际研究的热点,受到广泛重视。本论文围绕GaN基HEMT的结构设计和材料生长开展研究工作:我们设计并利用MOCVD技术分别在SiC衬底和蓝宝石上制备了GaN基HEMT结构材料,对其晶体结构、电学特性进行了深入研究；分析了AlGaN势垒层Al组分对HEMT材料的影响,并设计了新的超晶格势垒层,得到的主要研究结果如下:
1.SiC衬底AlGaN/AlN/GaN HEMT结构
采用AlN缓冲层在6H-SiC衬底上成功研制出高质量的GaN单层和AlGaN/AlN/GaN HEMT结构材料。分析了不同厚度的AlN缓冲层对GaN缓冲层晶体质量的影响,在优化厚度(～100nm)后的AlN缓冲层上生长得到了高质量的GaN外延膜,其(0002)半高宽为184arcsec,(10-12)半高宽为275arcsec。采用非故意掺杂高阻GaN层、高迁移率GaN沟道层、AlN插入层和非故意掺杂AlGaN势垒层来提高结构的二维电子气迁移率,研制出HEMT材料的室温电子迁移率和浓度分别为1800cm2/V·s和1.3×1013/cm2,2英寸外延片平均薄层电阻和薄层电阻不均匀性分别为264.6Ω/□和1.53％,为器件的制作打下了良好的基础。
2.蓝宝石衬底不同Al组分HEMT结构
研究了AlxGa1-xN势垒层Al组分对AlxGa1-xN/GaN HEMT结构材料晶体质量,表面形貌,光学性质和电学性能的影响。当Al组分增加时,HEMT结构材料二维电子气(2DEG)浓度增加,电子迁移率上升,薄层电阻降低。但Al组分超过26％后,由于AlGaN势垒层的晶体质量下降,表面粗糙度增加,2DEG电子迁移率开始下降。在36％Al组分样品中观察到了明显的2DEG-h PL光谱峰,当Al组分降低时,2DEG-h PL光谱峰的强度迅速下降。在26％Al组分的HEMT结构材料中观测到了高达2105cm2/V·s的室温迁移率和274Ω/□的薄层电阻。
3.AlN/GaN超晶格势垒HEMT结构
在蓝宝石衬底上生长了以AlN/GaN超晶格准AlGaN合金作为势垒的HEMT结构材料,并与传统AlGaN合金势垒样品进行了对比。在高Al组分(≥40％)情况下,超晶格势垒样品的表面形貌明显改进,电学性能特别是2DEG面电子浓度也有所改进。对超晶格势垒生长参数进行了初步优化,使得HEMT结构薄层电阻进一步降低,最后我们获得了251Ω/□的薄层电阻。