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1、 二维电子性能与器件 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 族氮化物半导体异质结构二维电子气的研究进展。从 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
2、、 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 , 族氮化物 GaN , AlN 和 InN 这类新一代半导体材料的崛起 ,使 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 。 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. 7 eV ,GaN 的 3. 4 eV 直到 AIN 的 6. 2 eV 带隙连续可调的三元
3、或四元固溶体合金体系(如 Al GaN , InGaN , Al Ga InN) ,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(L ED) ,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 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 ,又是当今发展高频、 高功率、 高温微电子器件的优选材料。特别是纤锌矿结构 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
4、其它 2族、 2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 35 倍。而且 ,由于 族氮化物材料能隙相差悬殊(从 InN 的 0. 7 eV 到 AlN 的 6. 2 eV) ,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 , 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 Al GaN/ GaN 异质结构 ,其 Al GaN 势垒层中压电极化强度为传统Al GaAs/ GaAs异质结构中的 5 倍之多
5、,感生的压电场强达 2 MV/ cm , 如此强的极化效应以及 Al GaN/ 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1013cm- 2浓度的二维电子气24 。因此 , 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。Al GaN/ 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 8 GHz下 ,最高输出功率密
6、度可达 30 W/ mm 5 。本文从 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 Al GaN/ 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Al GaN/ 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 Al GaN/ GaN/ Al GaN ,AlN/ GaN , Al GaN/AlN/ GaN 等异质结构以及 Al GaN/ InGaN/ GaN
7、 异质结构中二维电子气进行讨论 ,最后探讨GaN 基 族氮化物异质结构的发展趋势及前景。1. 1 族氮化物的晶格结构 族氮化物 GaN、 AlN 和 InN 具有稳定的纤锌矿(六方)和亚稳的闪锌矿(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 族氮化物即为纤锌矿结构 ,因此有关 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 ,纤锌矿结构属于六方晶系非中心对称 C6v点群 ,呈现 0
8、001 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 ,用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)方法生长的 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 族氮化物异质结构表现出优于 N 面极化异质结构
9、的电学特性8 , 9 ,因而目前所研究的 GaN 基异质结构均集中于 Ga 面极化纤锌矿结构。图 1 纤锌矿 GaN 的晶格结构1. 2 族氮化物中自发极化与压电极化 纤锌矿 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 ,定义为平行于 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 族氮化物 GaN、 InN 和 AlN 的晶格常数比 c0 / a0 均小于理想值,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
10、 c轴从阳离子( Ga、 In、 Al)指向最近邻阴离子(N)的方向 ,平行于 0001 方向。实验表明, 族氮化物中自发极化方向为负 ,即与 0001 方向相反。压电矢量 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) : 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:其中 C13和 C33是弹性常数,
11、根据公式(1)和(2) ,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。对于任意 Al 组分 ,都满足( e31 - e33 C13 / C33 ) a0 )时压电极化为负,平行于自发极化; 反之,压应变( a a0 )时压电极化反平行于自发极化。表 1 给出纤锌矿结构 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 (3) 式计算可知 ,在相同应变情况下, 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
12、、AlN 和InN 的晶格常数,自发极化,压电系数和弹性常数1. 3 Al GaN/ GaN 异质结构中极化诱导二维电子气图 2 为不同应变条件下 Al GaN/ 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 ,Al GaN 势垒层中自发极化方向与之相同,赝晶生长的 Al GaN 势垒层处于张应变 ,压电极化平行于自发极化。Al GaN/ 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: +ph . 其中 Al GaN 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
13、组合: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 ,如为负 ,异质界面处感生负极化电荷 ,吸引空穴。如果 Al GaN 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Al GaN 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
14、免势垒层发生弛豫 ,即采用如图 a)所示的应变 Al GaN/ GaN 异质结构体系。图c)表示在弛豫的 Al GaN 层上赝晶生长 GaN 薄膜 ,此时 GaN 处于压应变,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 Al GaN/ GaN 异质结构即使在未掺杂的情况下也可获得高达1013cm- 2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 “Al GaN 中的非故意掺杂” 23 等。近年来 , Ibbet son 等
15、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 Al GaN/ GaN 异质结构表面势 ,也得出二维电子气来源于表面态这一结论。最近他们又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. 6 1013cm- 2eV - 1,能量范围为导带下1. 01. 8 eV25 。除了表面态这一主要来源 ,Al GaN/ GaN 异质结构的非故意掺杂 ,Al GaN/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 。2Al GaN/ GaN 异质结构二维电子气的理论计算 如图3 是 Al GaN/ GaN 单异质结构示意图 ,一般用作 HEMT器件的 Al GaN/
