Si衬底因兼具大尺寸、低成本以及与现有CMOS工艺兼容等优势, 使Si衬底上GaN基射频(RF)电子材料和器件成为继功率电子器件之后下一个该领域关注的焦点。由于力学性质与低阻Si衬底不同, 高阻Si衬底上GaN基外延材料生长的应力控制和位错抑制问题仍然困难, 且严重的射频损耗问题限制着其在射频电子领域的应用。本文简要介绍了Si衬底上GaN基射频电子材料的研究现状和面临的挑战, 重点介绍了北京大学研究团队在高阻Si衬底上GaN基材料射频损耗的产生机理, 以及低位错密度、低射频损耗GaN的外延生长等方面的主要研究进展。最后对Si衬底上GaN基射频电子材料和器件的未来发展作了展望。

以氮化镓(GaN)、AlN(氮化铝)为代表的Ⅲ族氮化物宽禁带半导体是研制短波长光电子器件和高频、高功率电子器件的核心材料体系。由于缺少高质量、低成本的同质GaN和AlN衬底，氮化物半导体主要通过异质外延，特别是大失配异质外延来制备。由此导致的高缺陷密度、残余应力成为当前深紫外发光器件、功率电子器件等氮化物半导体器件发展的主要瓶颈，严重影响了材料和器件性能的提升。本文简要介绍了氮化物半导体金属有机化学气相沉积(MOCVD)大失配异质外延的发展历史，重点介绍了北京大学在蓝宝石衬底上AlN、高Al组分AlGaN的MOCVD外延生长和p型掺杂、Si衬底上GaN薄膜及其异质结构的外延生长和缺陷控制等方面的主要研究进展。最后对Ⅲ族氮化物宽禁带半导体MOCVD大失配异质外延的未来发展做了简要展望。

双色激光脉冲激励气体等离子体产生太赫兹波是得到高强度宽频带太赫兹波的重要方法, 本文利用光电流模型研究了该方法中激光能量对产生太赫兹波的影响。理论计算表明, 太赫兹波随激光能量的增大而增强, 而太赫兹波的频谱结构不受激光能量的影响。分析了双色激光能量影响太赫兹波强度的原因, 并利用自由电子浓度和电子电流密度诠释了该影响的内在物理机制。该研究为提高太赫兹辐射强度提供了一种有效的途径。

Ⅲ族氮化物(又称GaN基)宽禁带半导体属于新兴的第三代半导体体系,在短波长光电子器件和功率电子器件领域具有重大应用价值。过去10多年,以蓝光和白光LED为核心的半导体照明技术和产业飞速发展,形成了对国家经济和人民生活产生显著影响的高技术产业。近年来GaN基功率电子器件受到了学术界和产业界的高度重视,形成了新的研发和产业化热点。首先介绍了半导体照明技术和产业的发展历程和现状,分析了当前GaN基LED芯片技术面临的关键科学和技术问题;然后重点介绍了GaN基微波功率器件和电力电子器件的发展历程和动态,包括微波功率器件已经取得的突破性进展和产业化现状,电力电子器件相对Si和SiC同类器件的优势和劣势,并对GaN基功率电子器件当前面临的关键科学和技术挑战进行了较详细的分析。

在沉积肖特基金属之前, 对非掺的Al0.45Ga0.55N采用了不同时间的氟基等离子体处理, 其中Al组分对应日盲波段。与未做氟基等离子体处理的样品相比, 经过处理的Al0.45Ga0.55N肖特基二极管在反向-10V的漏电流密度随处理时间的增加而减少, 其中处理1min的样品的漏电流密度减少了5个数量级。X射线光电子谱分析证明了处理过的样品表面Ga-F和Al-F键的形成。反向漏电的减少可能是由氟基等离子体处理耗尽了电子和有效钝化了表面态导致的。

制备和表征了p-i-n型的GaN基雪崩探测器。器件在-5 V下的暗电流约为0.05 nA, -20 V下的暗电流小于 0.5 nA。响应增益-偏压曲线显示, 可重复的雪崩增益起始于80 V附近, 在85 V左右增益达到最大为120, 表明所制备的器件具有较好的质量。C-V测量用来确定载流子的分布和耗尽信息, 结果显示, p型层在15 V左右达到耗尽, 对应的空穴载流子浓度在1.9×1017 cm-1左右, 相对低的载流子浓度降低了电场限制, 使探测器的工作电压相对偏高。在不同偏压下测量的光谱响应曲线显示出明显的Franz-Keldysh效应。

Ⅲ-Ⅴ族氮化物宽禁带半导体材料体系中，普通方法生长的p型外延层电导率一般都很低，成为了制约器件性能提高的瓶颈。在p-AlxGa1-xN材料中，Mg受主的激活能较大，并且随Al组份增加而增大。通过在p-AlxGa1-xN材料生长过程中引入三甲基铟(TMIn)，发现能有效地降低AlxGa1-xN材料中受主态的激活能。为研究不同In气氛下生长的p-AlxGa1-xN材料的性质，在使用相同二茂基镁(CP2Mg)的情况下，改变TMIn流量，生长了A，B，C和D四块样品。X射线衍射(XRD)组份分析表明：在1 100 ℃下生长AlxGa1-xN外延层时，In的引入不会影响晶体组份。利用变温霍尔(Hall)测试研究了p-AlxGa1-xN材料中受主的激活能，结果表明：In气氛下生长的外延层相比无In气氛下生长的外延层，受主激活能明显降低，电导率显著提高。采用这种方法改进深紫外发光二极管(LED)的p-AlxGa1-xN层后，LED器件性能明显提高。

对采用金属有机化学气相淀积(MOCVD)技术生长的GaN1-xPx三元合金进行了低温光致发光(PL)和X射线衍射(XRD)测试分析.与来自GaN层的带边发射相比,P的摩尔分数比为0.03,0.11和0.15的GaN1-xPx的光致发光峰分别呈现出了73 meV,78 meV和100 meV的红移,文中将这种红移归因于GaN1-xPx合金具有大的带隙能量弯曲系数.X射线衍射结果表明GaN1-xPx三元合金仍为六方结构晶体,且随着P组份比的增加,GaN1-xPx合金的(0002)衍射峰逐渐向小角度方向移动,即晶格常量变大,同时,(0002)衍射峰谱线不断宽化,说明由于替位式P原子的不规则分布以及部分间隙P原子的影响造成了GaN1-xPx样品的晶格畸变.在GaN1-xPx的光致发光谱及X射线衍射谱中均未观测到相应的有关GaP的峰,表明所生长的高P含量的GaN1-xPx三元合金没有产生明显的相分离.

采用快速辐射加热/低压-金属有机化学气相淀积(RTP/LP-MOCVD)方法分别以AlN和阳极氧化铝为缓冲层材料在Si衬底上外延生长GaN薄膜,通过X射线衍射谱(XRD)、光荧光谱(PL)、拉曼散射谱(Raman Scattering)等手段对它们的微结构进行了表征和分析,结果指出AlN是优良的缓冲层材料.