行業(yè) | N極性AlN單晶襯底上AlGaN/AlN異質(zhì)結(jié)極化誘導(dǎo)二維電子氣（2DEGs）研究

譯自原文
Polarization-induced 2D electron gases in N-polar AlGaN/AlN heterostructures on single-crystal AlN substrates

原文作者
Zexuan Zhang, Jashan Singhal, Shivali Agrawal, Eungkyun Kim, Vladimir Protasenko, Masato Toita, Huili Grace Xing, and Debdeep Jena, Cornell University, Asahi Kasei Corporation

原文鏈接
https://doi.org/10.1063/5.0145826

Applied Phys. Lett. 122, 212106 (2023)

項目支持方
美國國家科學(xué)基金會（NSF）、美國能源部（DOE）科學(xué)辦公室基礎(chǔ)能源科學(xué)（BES）、美國空軍科學(xué)研究辦公室（AFOSR）、美國陸軍研究辦公室（ARO）、旭化成、康奈爾材料研究中心（CCMR）、康奈爾Kavli研究所（KIC）

摘要

極化誘導(dǎo)載流子在實現(xiàn)超寬帶隙半導(dǎo)體AlGaN的高電導(dǎo)率方面起著重要作用，這對于從射頻和功率電子到深紫外光電器件的各種應(yīng)用至關(guān)重要。盡管具有重要的科學(xué)和技術(shù)意義，但在N極性AlGaN中關(guān)于極化誘導(dǎo)載流子的研究仍然較少。我們通過系統(tǒng)改變8 nm頂層中的Al含量，從x=0到x=0.6，跨越從3.56到4.77 eV的能帶隙，報告了在N極性單晶AlN襯底上的N極性AlGaN/AlN異質(zhì)結(jié)中觀察到的極化誘導(dǎo)二維電子氣（2DEGs）及其性質(zhì)。隨著Al含量的增加，2DEG密度單調(diào)遞減，從GaN溝道中的3.8 x 10¹³/cm²降至x=0.6時無法測量的導(dǎo)電性。合金散射限制了x=0.49時2DEG的遷移率低于50 cm²/V·s。這些結(jié)果為設(shè)計在AlN上的N極性AlGaN溝道高電子遷移率晶體管提供了寶貴的見解，適用于在高電壓和高溫下的極端電子器件以及紫外器件等。

由于器件性能的許多優(yōu)點與能帶隙的非線性縮放密切相關(guān)，超寬帶隙（UWBG）半導(dǎo)體，如Ga₂O₃、AlGaN和金剛石，代表了材料、物理、器件和應(yīng)用領(lǐng)域的新興研究方向，范圍涵蓋了射頻（RF）、功率電子與深紫外光電器件以及量子計算和在惡劣環(huán)境下的應(yīng)用。AlGaN通過控制合金中Al的含量，其帶隙可以從3.4 eV調(diào)節(jié)至超過6 eV，因此作為各種電子和光電應(yīng)用的構(gòu)建模塊，并引起了重大的研究和技術(shù)關(guān)注。除了它能覆蓋廣泛的能帶隙范圍外，AlGaN還是唯一一種可以通過極化工程而非化學(xué)摻雜誘導(dǎo)導(dǎo)電溝道（p型和n型）的超寬帶隙半導(dǎo)體材料。

與金屬極性AlGaN不同，關(guān)于N極性AlGaN中極化誘導(dǎo)電子的報道相對有限。類似于在金屬極性Al_yGa_1-yN/Al_xGa_1-xN異質(zhì)界面（y > x）觀察到的極化誘導(dǎo)二維電子氣（2DEGs），正極化電荷和導(dǎo)電勢壘在異質(zhì)界面處也應(yīng)產(chǎn)生N極性AlGaN/AlN異質(zhì)結(jié)中的2DEGs。盡管這些2DEGs基本上未被研究，但它們可以作為AlN上N極性AlGaN溝道高電子遷移率晶體管（HEMTs）的通道，其中頂部勢壘的缺失可能有助于緩解對應(yīng)金屬極性所面臨的接觸不良問題，同時充分利用寬帶隙AlGaN溝道和AlN勢壘的大擊穿場。

除了溝道的能帶隙之外，通過改變AlGaN中的Al組成，還可以預(yù)期調(diào)節(jié)N極性AlGaN/AlN異質(zhì)結(jié)中2DEGs的性質(zhì)。除了理解N極性AlGaN中載流子傳輸?shù)闹匾茖W(xué)意義，系統(tǒng)研究N極性AlGaN/AlN異質(zhì)結(jié)的組成對器件結(jié)構(gòu)、電學(xué)性質(zhì)和光學(xué)性質(zhì)的影響也具有技術(shù)重要性，因為這些性質(zhì)直接影響到器件性能。此外，由于已知晶格結(jié)構(gòu)缺陷會影響材料的性質(zhì)并降低器件性能，因此有必要探討在晶格匹配、結(jié)構(gòu)完整的單晶AlN襯底上（位錯密度小于10⁴/cm²）的N極性AlGaN/AlN器件結(jié)構(gòu)與常用的異質(zhì)襯底（如SiC或藍寶石）相比的情況，因為AlN與這些異質(zhì)襯底之間存在較大的晶格失配，導(dǎo)致高位錯密度（~10⁹/cm²）。

在這項工作中，我們研究了在單晶AlN上N極性Al_xGa_1-xN/Al_0.85Ga_0.15N異質(zhì)結(jié)（x=0至x=0.6）中極化誘導(dǎo)的二維電子氣（2DEGs）的形成和性質(zhì)。頂部Al_xGa_1-xN和底部Al_0.85Ga_0.15N層的厚度分別約為8 nm和40 nm。從光致發(fā)光（PL）光譜中提取的頂部AlGaN層的光學(xué)帶隙范圍從3.56 eV到4.77 eV。除了電荷控制從x=0時的n_s=3.8x10¹³/cm²減少到x=0.49時的n_s=7.6x10¹²/cm²，最后當x=0.6時無法測量，隨著Al含量x的增加，電子遷移率觀察到下降，正如預(yù)期，在300K時，從大約650（x=0）降到大約40 cm² /V s（x=0.49），這是由于合金散射造成的。

圖1(a)所示的外延異質(zhì)結(jié)是使用帶有標準Ga和Al蒸發(fā)池以及用于活性N源的射頻等離子體源的Veeco GEN10系統(tǒng)中的等離子輔助分子束外延（MBE）生長的。兩個Al池用于生長突變異質(zhì)結(jié)。使用KSA儀器公司的反射高能電子衍射（RHEED）裝置，配備Staib電子槍，在15 kV和1.5 A下運行，以原位監(jiān)測生長前沿。使用來自旭化成公司的N極性單晶AlN襯底。在丙酮、異丙醇和去離子水中進行外部清洗（每次10分鐘）后，將切割成7x7 mm²的AlN襯底安裝在無銦夾具中，裝入MBE系統(tǒng)，并在200℃下通宵排氣7小時。在外延層生長之前，在MBE生長室中進行了100次原位Al輔助表面清潔循環(huán)，以去除N極性AlN襯底表面的本征氧化物和其他化學(xué)雜質(zhì)，并確保通過MBE生長的覆蓋層保持N極性，不會反轉(zhuǎn)為金屬極性。有關(guān)Al輔助清潔過程的詳細信息可以在我們之前的工作中找到。

在Al輔助清洗之后，在富Al的優(yōu)化工藝下生長了500 nm的同質(zhì)外延AlN層。在將襯底冷卻至約900℃以沉積40 nm未摻雜的Al_0.85Ga_0.15N層之前，過量的Al滴在約1200℃的升高溫度下原位脫附。之后，對于GaN溝道樣品（x=0），在較低的襯底溫度約810℃下沉積了8 nm的GaN層。類似的生長條件已在之前的報告中使用過。相比之下，對于所有AlGaN溝道樣品（x>0），8 nm的Al_xGa_1-xN溝道層在與Al_0.85Ga_0.15N層相同的生長溫度下生長，且在異質(zhì)結(jié)處沒有生長中斷。通過Al單元溫度控制Al_xGa_1-xN層中的Al組成，所有的AlGaN（和GaN）層都在金屬富集的生長條件下生長，并且在生長后，襯底在生長溫度下保持足夠長的時間，以便在冷卻至室溫之前原位脫附過量的Ga滴。

在AlN和頂部Al_xGa_1-xN層之間插入一個Al_0.85Ga_0.85N“雜質(zhì)阻擋”層的目的是通過阻止在富Al生長條件下AlN生長前沿上漂浮的不需要的雜質(zhì)（如硅），以到達期望產(chǎn)生2DEG的頂部異質(zhì)結(jié)，從而提高2DEG遷移率。

圖1(b)展示了圖1(a)中所示的五個樣品的對稱2θ/ω X射線衍射（XRD）掃描，這些掃描使用PANalytical Empyrean裝置在45 kV和40 mA下測量，采用Cu Kα1輻射（1.5406 Å）。厚度條紋的觀察表明存在突變異質(zhì)界面。隨著x的增加，由于與襯底的晶格匹配更好，條紋被更清晰地解析出來。此外，基于圖1(a)中的層結(jié)構(gòu)的模擬（未顯示）與測量的XRD光譜之間的良好一致性證實了目標結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)。圍繞GaN、AlGaN和AlN的非對稱（105）衍射峰進行了倒易空間映射（RSMs），以量化AlGaN（和GaN）層的應(yīng)變。本研究中的所有AlGaN和GaN層都被發(fā)現(xiàn)完全應(yīng)變到下面的AlN上。圖1(c)和1(d)分別展示了x=0和x=0.6的樣品的典型RSM掃描。量化GaN和AlGaN層中的應(yīng)變對于理解傳輸特性很重要，因為應(yīng)變會影響壓電極化，從而影響二維電子氣（2DEG）密度。

圖1. (a) 本研究中外延層結(jié)構(gòu)示意圖。 (b) 不同鋁含量的對稱2θ/ω XRD掃描。 [(c) 和 (d)] 從樣品中取得的非對稱(105)衍射的RSMs，其中(c) x=0 和 (d) x=0.6。 (e) 10 x10 μm² 和 (f) 2 x 2 μm² 原子力顯微鏡(AFM)顯微照片圖，顯示了x=0.49時生長表面的平滑表面和平行原子臺階。

圖2. 在T = 300K時，N極性Al_xGa_1-xN/Al_0.85Ga_0.15N異質(zhì)結(jié)的光致發(fā)光譜，頂部AlGaN溝道層的鋁組分x不同，顯示了來自所有樣品的光子發(fā)射。

樣品的表面形貌使用原子力顯微鏡（AFM）（Asylum Research Cypher ES）進行檢查。圖1(e)和1(f)展示了以x = 0.49的生長表面形貌作為一個例子，在一個10x10 μm²區(qū)域[圖1(e)]中測量得到光滑表面，沒有螺旋狀隆起，均方根（rms）粗糙度為0.5 nm。圖1(f)中放大的2x2 μm²掃描顯示平行原子臺階，暗示了階梯流生長模式。從其他樣品中也觀察到類似的表面形貌，具有亞納米級rms粗糙度及平行原子臺階（10x10 μm²掃描）。沒有觀察到表面粗糙度和鋁組分之間有明確的相關(guān)性。

圖2顯示了五個樣品在300K下的光致發(fā)光（PL）光譜。所有樣品都是從頂部用193 nm ArF準分子激光器激發(fā)的。所有五個樣品都觀察到頂部AlGaN溝道層的近帶邊PL發(fā)射。頂部AlGaN層PL峰值分別在348 nm（3.56 eV）、312 nm（3.96 eV）、300 nm（4.14 eV）、274 nm（4.52 eV）和260 nm（4.77 eV），對應(yīng)于GaN、Al_0.2Ga_0.8N、Al_0.33Ga_0.67N、Al_0.49Ga_0.51N和Al_0.6Ga_0.4N溝道樣品。當溝道的鋁組分x增加時，PL峰發(fā)生藍移，這直接表明了溝道帶隙的增加。值得注意的是，通過PL測量的AlGaN溝道的表觀光學(xué)帶隙可能與體帶隙不同，這是由于能量量子化、量子限制斯塔克效應(yīng)（QCSE）和應(yīng)變。有趣的是，從所有樣品中也觀察到來自較寬帶隙Al_0.85Ga_0.15N背勢壘的大約234 nm（5.3 eV）的光子發(fā)射。這里沒有嘗試對PL光譜進行詳細分析，計劃在未來的工作中進行。

霍爾效應(yīng)測量是通過將焊角銦接觸點連接到N極性AlGaN溝道的二維電子氣（2DEGs）來對樣品進行的。結(jié)果總結(jié)在表I中，并與PL得到的能帶隙一起給出。除了Al_0.6Ga_0.4N溝道的樣品外，所有樣品都顯示出可測量的2DEGs，直到低溫，這是由于它們的極化誘導(dǎo)起源所預(yù)期的。圖3(a)顯示了使用自洽薛定諤-泊松求解器模擬的能量帶圖，溝道Al含量x = 0、0.33、0.6，表面勢壘高度q_φB為0.3 eV（如已報道的N極性GaN）以及單晶AlN內(nèi)零電場作為邊界條件。如圖3(b)所示，在頂部Al_xGa_1-xN/Al_0.85Ga_0.15N界面處誘導(dǎo)出高密度2DEGs。已發(fā)現(xiàn)底部界面的次級溝道沒有可測量的導(dǎo)電性。目前仍需研究次級溝道高電阻率背后的原因，一個可能的解釋是深能級中的局域化。以下討論將僅關(guān)注頂部異質(zhì)界面處的2DEGs。

表I. 本研究中研究的N極性Al_xGa_1-xN/Al_0.85Ga_0.15N HEMT異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)細節(jié)，以及通過PL測量的AlGaN溝道的相應(yīng)帶隙和在300和77K下通過霍爾效應(yīng)測量的2DEG密度n_s、遷移率μ。片電阻R_s > 10³ kΩ/sq. “…”表示無法使用霍爾效應(yīng)測量提取傳輸?shù)碾娮栊詷悠贰１砻鎰輭靖叨萹_φb是通過將模擬與測量的2DEG密度擬合得出的。

圖3. (a) 對于三種不同的Al組成x = 0（綠色）、0.33（棕色）和0.6（藍色）模擬的能量帶圖，表面勢壘高度q_φB約為0.3 eV。 (b) 模擬的電子密度證實了Al_xGa_1-xN/Al_0.85Ga_0.15N界面處存在高密度2DEGs。底部界面的次級溝道沒有顯示出可測量的導(dǎo)電性。

隨著溝道中Al含量的增加，頂部異質(zhì)界面的導(dǎo)帶邊緣E_c向費米能級移動[圖3(a)]，而2DEG密度減小[圖3(b)]。雖然固定表面勢壘高度為0.3 eV的能量帶圖模擬定性地解釋了溝道中鋁含量增加時2DEG密度減小的趨勢，但它預(yù)測在Al_0.6Ga_0.4N/Al0_.85Ga_0.15N處有高密度(n_s > 1x10¹³/cm²)的2DEG，這與該樣品沒有任何可測量導(dǎo)電性的情況形成對比。同時，它還預(yù)測x = 0.49時的2DEG密度為n_s > 1.7x10¹³/cm²，這是對測量值0.76x10¹³/cm²的高估超過兩倍。這一點在圖4(a)中進一步說明：盡管對于x≤0.2的測量300K 2DEG密度與q_φB = 0.3 eV的模擬相當吻合，但對于x≥0.33，測量得到的2DEG密度下降得比預(yù)測的要快得多，這表明對于高鋁含量AlGaN溝道，固定表面勢壘高度q_φB = 0.3 eV有很大的偏差。例如，從圖4(a)預(yù)期x=0.49的表面勢壘高度約為2 eV。表I的最后一列列出了與每個樣品在300K下測量的值相匹配的Al_xGa_1-xN/Al_0.85Ga_0.15N界面模擬的2DEG密度的表面勢壘高度q_φB。使用X射線光電子能譜（XPS）技術(shù)已經(jīng)報告了金屬極性AlGaN的表面勢壘高度隨鋁組分的增加而增加。有趣的是，對于N極性AlGaN也觀察到了類似的趨勢。

圖4. (a) 不同樣品中AlGaN溝道層鋁組分x的函數(shù)，在77K（實心圓圈）和300K（空心圓圈）下測量的2DEG霍爾密度。模擬的2DEG密度（灰色線條）也作為鋁組分的函數(shù)繪制出來，對于不同的表面勢壘高度qφB（插圖），并且與實驗數(shù)據(jù)很好地吻合。 (b) AlGaN 2DEG溝道中鋁組分x的函數(shù)，在77K（實心圓圈）和300K（空心圓圈）下的電子遷移率?；疑€顯示了對于相同的合金散射勢U_AL= 2 eV的不同載流子密度n_s計算的合金散射遷移率，這證實了高鋁組分AlGaN溝道2DEGs中的主要散射機制是合金散射。 (c) 各種鋁組分的PL能帶隙與片狀電導(dǎo)率的關(guān)系。高導(dǎo)電性對于高電流是所需的，而大能帶隙則更傾向于高擊穿電壓。

圖4(b)顯示了作為Al組成x函數(shù)的77 K（實心符號）和300 K（空心符號）霍爾效應(yīng)遷移率的測量值。隨著Al組成x的增加，2DEG遷移率單調(diào)降低，從x=0時的μ > 1400 cm²/V·s降至x=0.49時的μ < 50 cm²/V·s（77 K時）。顯然，77K時的遷移率相比其300K的值增長了超過2倍，這是由于聲子散射凍結(jié)的預(yù)期效果，特別是在GaN溝道（x=0）中。與室溫值相比，Al_0.2Ga_0.8N溝道的低溫遷移率也有輕微提高，而Al_0.33Ga_0.67N和Al_0.49Ga_0.51N溝道2DEGs的變化幾乎可以忽略不計。2DEG遷移率隨Al含量增加而降低以及高Al含量AlGaN溝道中溫度依賴性幾乎可以忽略的現(xiàn)象，都可以通過合金無序散射來解釋，這是一種溫度無關(guān)的過程。眾所周知，合金散射限制的遷移率作為合金組成x的函數(shù)呈U形曲線，這是由于1/{x(1-x)}的依賴性。因此，在本工作研究的合金組成范圍內(nèi)，Al含量x的增加應(yīng)導(dǎo)致2DEG遷移率降低。圖4(b)中的線條繪制了給定2DEG密度范圍（從1 x 10¹³到4 x 10¹³/cm²）的Al含量函數(shù)的合金散射限制2DEG遷移率。合金散射勢U_AL= 2 eV的擬合結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)吻合良好，并且落在金屬極性AlGaN報告的U_AL典型范圍（介于1.3和2.2 eV之間）內(nèi)。高Al含量AlGaN溝道中近乎溫度獨立的2DEG遷移率對于需要在高且可變溫度下穩(wěn)定運行的應(yīng)用來說很有吸引力。

如前所述，此處觀察到的N極性AlGaN/AlN二維電子氣（2DEGs）可以實現(xiàn)AlN上N極性AlGaN溝道HEMT器件。這些器件預(yù)計將帶來比對應(yīng)的Al極性單晶基AlN器件中GaN溝道更具吸引力的優(yōu)勢，后者最近已經(jīng)展示出有希望的直流和射頻特性，例如開態(tài)電流為2.6 A/mm，最大振蕩頻率（f_max）為100 GHz。此外，由于缺少頂部勢壘，利用N極性結(jié)構(gòu)中的AlGaN溝道有潛力克服金屬極性AlGaN晶體管一直面臨的主要挑戰(zhàn)之一——接觸不良的問題。對于射頻HEMT，溝道的片狀電導(dǎo)率σ和能帶隙E_g是預(yù)測其性能的關(guān)鍵指標。這是因為高σ有助于實現(xiàn)大電流和低接入電阻，而大E_g也有助于2DEG溝道中的高臨界電場。

為了更好地說明這些2DEGs在射頻和功率應(yīng)用中的潛力，本研究中五個樣品的實驗測量室溫霍爾片狀電導(dǎo)率σ作為PL實驗測量能帶隙E_g的函數(shù)，在圖4(c)中繪制。隨著溝道Eg的增加，σ迅速下降。這在σ和E_g之間呈現(xiàn)了一個權(quán)衡，用于AlGaN溝道HEMT的使用。另一方面，Al_0.6Ga_0.4N/Al_0.85Ga_0.15N異質(zhì)結(jié)中缺乏原生長2DEG對于需要常閉操作的應(yīng)用可能是有利的，例如電力開關(guān)和能量轉(zhuǎn)換，盡管需要采用巧妙的策略，如選擇性區(qū)域硅離子注入，以降低此類設(shè)備的接入電阻。因此，本研究為異質(zhì)結(jié)設(shè)計以及針對下一代射頻和功率電子學(xué)的N極性AlGaN溝道HEMT的設(shè)備工程提供了有用的實驗數(shù)據(jù)。

總之，本研究報告了對使用MBE在單晶AlN上生長的N極性Al_xGa_1-xN/Al_0.85Ga_0.15N異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)、光學(xué)和電子輸運特性的系統(tǒng)研究，AlGaN溝道組成從x=0變化到x=0.6。光致發(fā)光光譜顯示Al_xGa_1-xN溝道的帶隙隨x的增加而增加，從3.56 eV變化到4.77 eV。觀察到極化誘導(dǎo)的2DEGs，2DEG密度從GaN溝道中的約3.8x10¹³/cm²變化到8 nm厚的Al_0.6Ga_0.4N溝道中沒有可測量的2DEG。發(fā)現(xiàn)溫度獨立的合金散射是高Al含量（x>0.3）AlGaN溝道2DEGs的主要散射機制。這些結(jié)果為設(shè)計AlN單晶襯底上N極性AlGaN溝道HEMT奠定了基礎(chǔ)，以實現(xiàn)高頻、高功率和高溫性能。

（以上文章由奧趨光電翻譯，如有涉及版權(quán)等問題，請聯(lián)系我們以便處理）