二维电子性能与器件m族氮化物异质结构中二维电子气电子科学与技术201330101192费明祥摘要:本文总结了近年来m族氮化物半导体异质结构二维电子气的研究进展从用族氮化物材料晶格结构和特有的极化性质出发，重点讨论AlGaN/GaN异质结构中二维电子气的性质，总结分析了异质结构中Al组分、势垒层厚度、应变弛豫度、掺杂等对二维电子气浓度和迁移率的影响，同时还涉及AlGaN/GaN/AlGaN,AlGaN/AlN/GaN和AlGaN/InGaN/GaN等异质结构二维电子性质引言半导体异质结构是实现半导体低维体系的基本手段，也是高速微电子、量子光电子器件的基本结构自上世纪70年代以来，随着半导体异质结构材料的不断发展，半导体低维物理研究的不断深化，半导体器件不断推陈出新，半导体科学技术得到迅猛发展，大大推动了当代信息技术、信息产业的发展近年来，用族氮化物GaN，AlN和InN这类新一代半导体材料的崛起，使用族氮化物异质结构受到人们广泛重视，并成为当前材料学科和微结构器件领域的研发热点［1］m族氮化物与传统的半导体不同，是一种带隙宽并具有强压电、铁电性的半导体材料它可形成从InN的0.7eV，GaN的3.4eV直到AIN的6.2eV带隙连续可调的三元或四元固溶体合金体系（如AlGaN，InGaN，AlGaInN），相对应的直接带隙波长覆盖了从红外到紫外的宽波长范围，是发展新一代半导体光电器件的重要材料，在发光二极管（LED），激发器（LD）和大屏幕全色显示及固态白光照明方面具有极其重要的应用。
同时，基于用族氮化物具有的宽带隙、高饱和电子漂移速率（比GaAs高1.5倍），高击穿场强和高热导率（比GaAs高3倍）等优越电子性能，乂是当今发展高频、高功率、高温微电子器件的优选材料特别是纤锌矿结构m族氮化物的六方晶体结构缺少反演对称性，呈现很强的极化效应，包括自发极化和压电极化，压电系数比其它m2v族、n2可族半导体材料大1个数量级以上，自发极化强度也很大，如AlN的自发极化只比典型的钙钛矿结构铁电体小3〜5倍而且，由于m族氮化物材料能隙相差悬:殊（从InN的0.7eV到AlN的6.2eV），异质结构界面导带存在巨大能带偏移（△Ec），可形成深量子阱基于强极化诱导作用和巨大能带偏移，m族氮化物异质结构界面可形成一强量子局域化的高浓度二维电子气系统，成为至今能提供最高二维电子气浓度的半导体材料体系如典型的AlGaN/GaN异质结构，其AlGaN势垒层中压电极化强度为传统AlGaAs/GaAs异质结构中的5倍之多,感生的压电场强达2MV/cm,如此强的极化效应以及AlGaN/GaN界面大的导带偏移，在GaN层形成一个很深的量子阱，即使不掺杂，也可感生高达〜1013cm2浓度的二维电子气［24］。
因此，m族氮化物异质结构不仅有丰富的物理内涵，是研究低维量子输运的理想体系，而且具有极其重要的技术应用价值，利于发展高性能二维电子气电子器件AlGaN/GaN体系作为一典型的GaN基异质结构，在微波功率和高温电子器件领域中具有极为重要的应用价值，并在军事领域应用中崭露头角目前GaN基高电子迁移率晶体管（HEMT），在8GHz下，最高输出功率密度可达30W/mm［5］本文从m族氮化物特有的强极化性质出发，基于极化能带工程设计，讨论分析了几种GaN基异质结构中二维电子气的性质，重点对AlGaN/GaN异质结构中的二维电子气性质进行总结分析主要包括以下3个方面：首先说明极化诱导二维电子气的形成，然后讨论AlGaN/GaN异质结构中Al组分、势垒层厚度、应变弛豫度、掺杂等对二维电子气性质的影响，并对目前研究较多的其它GaN基异质结构，如AlGaN/GaN/AlGaN，AlN/GaN，AlGaN/AlN/GaN等异质结构以及AlGaN/InGaN/GaN异质结构中二维电子气进行讨论，最后探讨GaN基m族氮化物异质结构的发展趋势及前景1.1m族氮化物的晶格结构m族氮化物GaN、AlN和InN具有稳定的纤锌矿（六方）和业稳的闪锌矿（立方）两种结构，两者的主要差别在于原子层的堆积次序不同，因而电学性质也有显著差别［6］。
闪锌矿结构氮化物在生长过程中不稳定，且不具有由晶格结构非理想性引起的自发极化性质，并且在目前普遍采用的蓝宝石衬底上生长的m族氮化物即为纤锌矿结构，因此有关in族氮化物异质结构的生长及研究大多基于该结构如图1为纤锌矿GaN的晶格结构示意图，纤锌矿结构届于六方晶系非中心对称C6v点群，呈现［0001］与［0001］两种相反的原子层排列方向，分别对应于Ga面极化与N面极化，这种极性在GaN薄膜的异质外延生长过程中不能预知，必须由实验来确定实验表明［7］，用金届有机物化学气相沉积（MOCV顷法生长的GaN通常呈Ga面极化，而用分子束外延（MBE）的方法得到的GaN薄膜为N面极化，如果先于衬底上生长一层AlN缓冲层，再进行分子束外延生长得到的GaN极性反向，即从N面极化变为Ga面极化GaN薄膜的Ga面和N面是不等效的，具有不同的物理和化学性质实验发现，Ga面极化用族氮化物异质结构表现出优丁N面极化异质结构的电学特性［8,9］,因而目前所研究的GaN基异质结构均集中丁Ga面极化纤锌矿结构Ga面N面衬底图1纤锌矿GaN的晶格结构1.2m族氮化物中自发极化与压电极化纤锌矿m族氮化物晶格可由3个参数来确定，分别是六角棱柱的底面边长a0，高c0以及一个无量纲量u，定义为平行丁c轴（即［0001］方向）的键长与晶格常数c0之比。
理想纤锌矿晶格常数比c0/a0为1.633，而m族氮化物GaN、InN和AlN的晶格常数比c0/a0均小丁理想值，且偏离依次增大（如表1所示），由此导致的自发极化强度（PSP也依次增大极化的正方向定义为沿c轴从阳离子（Ga、In、Al）指向最近邻阴离子（N）的方向，平行丁［0001］方向实验表明，用族氮化物中自发极化方向为负，即与［0001］方向相反压电欠量PPE由压电系数e和应变张量£乘积决定,压电系数张量e有3个独量的分量，其中两个量e33，e31决定了沿c轴的压电极化强度PPE（e15是与切应变有关的系数）：PpE=03E:灸I化-%）（\）£z=（c-c0）/c0是沿c轴的应力大小，£x=£y=（a-a0）/a0为平■面内双轴应力大小，c，a和c0，a0分别是应变和本征晶格常数，两者的关系为：■-饥rC13口-曲l=-Li1）Lt)其中C13和C33是弹性常数，根据公式（1）和⑵，考虑弛豫度的影响，沿c轴方向的压电极化大小可表示为：其中R为应变层的弛豫度，当晶格全应变时R=0，完全弛豫时R=1,不存在压电极化对丁任意Al组分，都满足（e31-e33C13/C33）<0因此当薄膜处丁张应变（a>a0）时压电极化为负，平行丁自发极化；反之,压应变（a
表1给出纤锌矿结构m族氮化物的晶格常数，自发极化压电系数和弹性常数，利用表中参数，由⑶式计算可知，在相同应变情况下，m族氮化物中的压电极化强度也是从GaN，InN到AlN依次增强表1纤锌矿结构GaN、AlN和InN的晶格常数，自发极化，压电系数和弹性常数参敬单位GaNAINInN参考文献%A3.1893.1123.54S[10]A土I&54.%23.760[10]2血-1.6271.S011.623-0.3760.0.377[1HApC•0,029•0.0f!l•0,032[11]衣C1.46097【11]0.65[12]1.55[门]0.砧[14]enC■0.49-0.60-0.57[11]-0.36[14]■0.32[12]•0.*【13]CijQpa10012794[15]Ciqpu地锵200【顷405373224[1611.3AlGaN/GaN异质结构中极化诱导二维电子气■一,•*篇|2为不同应变条件下AlGaN/GaN异质结构及其中自发极化PSP和压电极化PPE的方向如图a），弛豫GaN层中仅有自发极化，方向指向衬底，AlGaN势垒层中自发极化方向与之相同，鹰晶生长的AlGaN势垒层处丁张应变，压电极化平行丁自发极化。
AlGaN/GaN界面两边极化强度不连续导致界面处感生固定极化电荷°，其面密度由下式给出：^口=flower?-PfuppfirJ=［lowers-Fpe(lowerj/-［^sp(upper；-Fpe(upperj/其中AlGaN合金的自发极化强度一般采用AlN和GaN自发极化强度的线性组合:PMALGa】iNJ=(-0.052.x-0.029>C/m1(5)然而有人认为［17,18］,自发极化和压电极化与Al组分的关系并非完全线性，这主要是由合金的宏观结构以及体效应决定的如界面极化电荷b为正，代表异质界面处感生正极化电荷，电子被吸引至异质界面处聚集形成二维电子气，这就是极化诱导二维电子气的原因；相反，如b为负，异质界面处感生负极化电荷，吸引空穴如果AlGaN势垒层完全弛豫(图b))，只存在自发极化，由(4)，(5)两式可知，界面处仍感生较高浓度的正极化电荷，诱导形成二维电子气，但弛豫AlGaN势垒层不仅降低二维电子气浓度［19］，还会造成载流子迁移率大大降低［20］，因此要获得优良器件性能，应避免势垒层发生弛豫，即采用如图a)所示的应变AlGaN/GaN异质结构体系图c)表示在弛豫的AlGaN层上鹰晶生长GaN薄膜，此时GaN处丁压应变，压电极化方向与自发极化相反，异质界面处感生负极化电荷，吸引空穴。
如前所述，应变AlGaN/GaN异质结构即使在未掺杂的情况下也可获得高达〜1013cm2面密度的二维电子气，如此高浓度电子的来源就成为倍受关注的问题有许多小组提出了不同的理论来解释该现象，例如“压电掺杂”［21，22］，“极化效应与热激发”［9］，以及“AlGaN中的非故意掺杂”［23］等近年来，Ibbetson等人［3］提出表面态是二维电子气的实际来源Koley等人［24］用扫描kelvin探针显微镜的方法研究了AlGaN/GaN异质结构表面势，也得出二维电子气来源丁表面态这一结论最近他们乂用紫外激光诱导瞬态的方法进一步证实了表面态对二维电子气的贡献，同时计算表明该表面态密度约为1.6x1013cm2eV-1，能量范围为导带下1.0〜1.8eV25］除了表面态这一主要来源，AlGaN/GaN异质结构的非故意掺杂，AlGaN/GaN界面态以及深能级缺陷也是二维电子气的来源之一［23，26］2AlGaN/GaN异质结构二维电子气的理论计算如图3是AlGaN/GaN单异质结构示意图，一般用作HEMT器件的AlGaN/GaN中势垒层厚度约为20〜30nm,为了获得高质量GaN沟导层，GaN缓冲层厚度较大,为〜Vm量级。
左侧给出对应该结构的导带底能量图，e①是肖特基势垒高度，虚线代表费米能级二维电子气分布在异质界面处三角形阱内，由丁量子化效应，电子沿异质结构生长方向的能量发生分裂为了提高二维电子气的浓度，通常在势垒层中掺入施主杂质，离化后电子穿越势垒到达界面量子阱中，因而称为调制掺杂异质结构(MDH)由丁界面处正离化施主电荷对二维电子具有散射作用，称为离化杂质散射，使二维电子气的迁移率有所降低为了避免这一影响，通常在掺杂AlGaN势垒层与GaN层之间插入一不掺杂。