论文部分内容阅读
为满足新一代电子器件和光电子器件的大功率、高效率应用,以GaN为主的第三代半导体在近二十年内取得了长足的发展,已逐步取代Si、GaAs等传统半导体,尤其在制备高电子迁移率晶体管(High electron mobility transistor,HEMT)和发光二极管(Light emitting diode,LED)方面应用广泛。GaN基蓝光LED已广泛商业化,成为新一代绿色照明产业的主力军。然而,GaN基HEMT器件的商业化却进展缓慢,一方面由于其价格昂贵,另一方面由于其制备工艺有待改进,器件性能有待提升。为改善GaN基HEMT器件的相关性能,提高其性价比,本文从新型倒装GaN基HEMT器件及其与LED光电集成的角度出发,开辟新的工艺路径,开发新的器件结构,制备新的集成单元,进一步优化GaN基电子器件的性能,推动GaN基材料和器件的发展。首先,制备了一种金属与AlGaN/GaN异质结界面接触的新型电极结构。这种新结构电极只需要在600℃下退火即可与异质结形成欧姆接触,相比于传统的在850℃下退火形成欧姆电极的GaN HEMT器件,采用界面接触型欧姆电极的HEMT器件具有更低的方块电阻(降低24.5%)和更高的饱和电流(上升23%)。其次,设计并制备了一种具有三明治结构栅极的倒装结构HEMT器件。经过衬底转移,倒装的AlGaN/GaN异质结夹在底部栅极和顶部栅场板结构之间,并且整个器件置于AlN钝化层之上,解决了Si衬底的击穿漏电问题。同时,顶部栅场板的设计有效降低了电场峰值,提升了器件的击穿性能。此外,倒装结构的HEMT器件具有显著提升的栅压摆幅,有助于高线性器件的制备。倒装结构HEMT器件的关态击穿电压从传统平面器件的535V提升到620V,栅压摆幅从2.7V提升到6V。最后,开发了一种包括选区刻蚀和衬底转移技术在内的倒装结构HEMT器件与垂直结构LED的单片集成工艺路线。在器件互联时,采用Mg掺杂的方式消除刻蚀损伤,降低导通电阻。制备出一种利用HEMT调节LED电流和光功率的发光模块,单位面积的发光功率(Light output power per module area,LOPMA)达12.5W/cm~2,等效外量子效率(Equivalent external quantum efficiency,EEQE)为6.15%。相比于采用传统工艺的HEMT与横向LED单片集成发光模块,本文中的发光模块的功率密度提高4~10倍,发光效率提高5~20倍。综上所述,本文通过工艺的改进、器件的设计以及集成模块的开发,获得了倒装结构的GaN基功率电子和光电子器件,优化了GaN基HMET及其光电集成器件的电学性能。本文的研究将对GaN基材料和器件的进一步研究和发展具有一定的指导和借鉴意义。