西安电子科技大学学报(自然科学版)
JOURNAL OF XIDIAN UNIVERSITY
Jun.2003
Vol.30 No.3
AlGaN/GaN中二维电子气研究新进展
张金凤,郝 跃
(西安电子科技大学微电子所,陕西西安 710071)
摘要:AlGaN/GaN异质结是氮化物微波功率器件的基本结构之一,其优越性的关键是在异质界面上形成具有高面电子密度和高迁移率的二维电子气.给出了AlGaN/GaN异质结二维电子气的面电子密度、迁移率对氮化物材料性质、异质结结构参数和温度的依赖关系,以及两者内在矛盾等方面的研究现状,指出了该领域内仍需深入研究的问题,如面电子密度的温度特性、迁移率随合金层的变化关系以及迁移率随面电子密度的变化关系等.
关键词:AlGaN/GaN异质结;电荷控制;输运特性
中图分类号:TN30412+3 文献标识码:A 文章编号:100122400(2003)0320326205
AlGaN/GaNTwo2dimensionalgas:acriticalreview
ZHANGJin2feng,HAOYue
(ResearchInst.ofMicroelectronics,XidianUniv.,Xi′an 710071,China)
Abstract: TheAlGaN/GaNheterostructureisoneofthebasicstructuresfornitridemicrowavepowerdevices,whoseoutstandingcharacteristicliesonthetwo2dimensionalgas(2DEG)ofhighsheetdensityNsandhighelectronmobilityμformedattheAlGaN/GaNinterface.CurrentresearchstatusisreviewedofthedependenceofAlGaN/GaN2DEGNsandμonnitridematerialproperties,onAlGaN/GaNstructureparametersandontemperature,andoftheinteractionbetweenNsandμ.Someproblemsthatneedfurtherresearcheffortsarealsopointedout,includingthetemperaturecharacteristicsofNs,thedependenceofμonalloylayerandonNs.
KeyWords: AlGaN/GaNheterostructures;two2dimensionalgas;chargecontrol;transport
GaN,AlN及其三元合金AlGaN具有禁带宽度宽、电子漂移速度高、击穿电场强、热导率高、化学性质稳
定、抗辐照等特点,是制作高温、大功率、高频电子器件的理想材料.虽然在世界范围内,生长高质量的Ⅲ族氮化物材料并将其制成器件的研究从10年前才开始,但在生长、掺杂、刻蚀等基本加工问题上取得了长足进展,尤其是5年前解决了氮源纯度问题以后,该领域的研究就在对Ⅲ族砷化物和磷化物所做过的大量类似研究的基础上快速发展起来,目前成为国际上新型半导体材料和器件研究热点.国内主要是中科院半导体所、南京大学和西安电子科技大学等单位在此领域进行了研究工作.
在微波功率器件领域,AlGaN/GaNHEMT的微波输出功率密度是目前10～20GHz范围内其他材料无法
相比的,而AlGaN/GaNHEMT优越特性的关键是在AlGaN/GaN界面上形成二维电子气(2DEG).
异质结界面2DEG体系是量子化效应的产物,其显著特点是极高的面电子密度Ns和低温电子迁移率(AlGaN/GaN异质结2DEG体系Ns可达1013cm-2,迁移率μ在低温下可达105cm2/(V・s)[1]),对其基本性质的
研究在传统Ⅲ2Ⅴ半导体(如AlGaAs/GaAs)中已形成较系统的理论.1992年,Khan等[2]首次制作出了具有2DEG的AlGaN/GaN结构.正是在这样的基础上,目前对AlGaN/GaN中的2DEG的研究集中在材料性质和结
构参数与2DEG性质的相互影响和制约关系上.
收稿日期:2002206215
基金项目:国家部委预研基金资助项目(41308060106)作者简介:张金凤(19772),女,西安电子科技大学博士研究生.
第3期 张金凤等:AlGaN/GaN中二维电子气研究新进展327
1 AlGaN/GaN异质结材料和结构对其2DEG的影响
在AlGaN/GaN异质结中,2DEG体系强烈地受到Ⅲ族氮化物的材料性质和生长工艺的影响,表现出特有的优越电学性质.
111 极化和2DEG电子的来源
Ⅲ族氮化物是强压电材料,其纤维锌矿(六方)结构的晶体还具有沿六方c轴的自发极化.AlGaN/GaN异质结通常是在蓝宝石或SiC衬底上以MOCVD或MBE生长,这正是为了利用极化效应.恰当地控制极性(如[0001]取向生长),可以获得自发和压电极化取向相同的六方结构.
图1 典型AlGaN/GaN基HFET结构
图1ϖ就是这样生长的一个表观未掺杂的AlGaN/GaN基HFET结构,各层之间应力的作用来源于晶格失
配或热膨胀失配[3].应变的AlGaN顶层中压电极化电场和自发极化电场可分别达2和3MV/cm[4](其中压电极化电场是AlGaAs/GaAs结构中相应值的5倍多).这些非常高的极化电场在Ⅲ族氮化物界面和表面上产生高密度的极化电荷,强烈调制了AlGaN/GaN异质结的能带结构,加强了对2DEG的二维空间限制,提高了2DEG的面电子密度[5].
应当指出,目前对极化电荷分布的研究说法不一.图1ω中[6],极化电荷σpol,-σpol和界面2DEG的电子σaN层顶部来自金属接触或自由表面充电表面态的载流子σ2DEG以及AlGmet构成了电中性平衡.R.Oberhuber等[7]还提出另一种极化电荷的分布图景.
传统的AlGaAs/GaAs异质结多做成调制掺杂结构,2DEG体系的电子来源于势垒层的施主掺杂[8].但在高质量的AlGaN/GaN异质结中,即使所有的层均不人为掺杂,仍可以在异质界面上形成高面电子密度的2DEG体系[3,9].从这里可以看到极化诱使电子由其他可能的来源转移来形成2DEG的巨大作用,但总体呈电
中性的极化作用本身并不能够提供电子.这就提出一个问题,即表观未掺杂的AlGaN/GaN异质结中2DEG体系的电子来源.
目前,MBE或MOCVD生长的GaN及AlGaN材料均有n型背景电子浓度,一般归结为由N空位或外延生长时非人为引入的残余氧和硅杂质造成[2].由于上述极化效应的诱使作用,通常认为表观未掺杂的AlGaN/GaN中2DEG体系的电子来自有源GaN和AlGaN势垒层中背景杂质造成的自由载流子密度[4,10]或从金属接
触的载流子注入[4],或来自类施主表面态[9～11].但这些说法无一具有决定性的说服力.112 Ns随合金层组分和厚度的变化以及Ns的温度特性
AlGaN/GaN中2DEG的面电子密度Ns随AlxGa1-xN的x或厚度d增大而增大[9,11],这与传统的AlGaAs/GaAs异质结类似.需要指出,在表观未掺杂的AlxGa1-xN/GaN异质结中,AlxGa1-xN层的内应力是x和d的
函数,因而x和三元合金AlxGa1-xN出现应变驰豫的关键厚度dcrit以及极化诱生的Ns有内在的联系.据计算[12],在d=dcrit=5nm的表观未掺杂的AlxGa1-xN/GaN异质结中,压电掺杂(即压电极化诱生2DEG的效
328 西安电子科技大学学报(自然科学版) 第30卷
应)最大值(对应Ns最大)在x≈0166时出现,此时Ns约为112×1013cm-2.x的增大对应dcrit的减小,而且这种变化导致压电掺杂的增加.如果d 对有空间隔离层的AlGaN/GaN,面电子密度随空间隔离层厚度di的变化关系未见到系统的研究,一方面可能是因为与AlGaAs/GaAs异质结中的相应关系类似,另一方面可能是因为空间隔离层会增加AlGaN层厚度,更易出现应变驰豫. AlGaN/GaN2DEGNs随着温度单调上升的特性在现有的研究中未见到解释.这既可能是量子效应复杂 性造成的困难,也可能是由于对2DEG电子来源的了解尚不够充分.113 输运性质,散射机制和合金层的影响 从上个世纪70年代起,科学家们开始研究GaN体材料的输运性质包括速场关系和迁移率等[2].1996年,Shur等人[13]对掺杂体GaN和AlGaN/GaN异质结电子输运的有关散射效应给出了全面的理论论述.计算得到的电离杂质散射(迁移率随温度上升)与极化光学声子散射,压电散射和声学散射(迁移率随温度上升而下降)的联合效应(六方GaN:体材料和2DEG)如图2所示.由图可见,极化光学声子散射和电离杂质散射是在77K和500K之间GaN体材料中两种主要的散射机制.在AlGaN/GaN异质结2DEG中,压电散射也起到重要作 用.2DEG中迁移率提高被解释为与2DEG中更高的电子浓度及更有效的屏蔽有关.300K时,对生长在6H2SiC上的AlGaN/GaN异质结有2DEGμ=2000cm2/(V・s), Ns=1.3×1013cm-2.这结果在实验上已得到证实[1]. 图2 六方GaN中电子漂移迁移率的温度特性 n>NT和n 和迁移率温度特性的另一种图景,如图3所示.主要的结论是最大室温迁移率约为2000cm2/(V・s);低温迁移率在Ns>1012cm-2时受合金(无序化)散射的限制;如果背景施主浓度Nd<1017cm-3,则迁移率对背景施主不敏感;如果位错浓度Ndis<109cm-2则迁移率对位错不敏感. 尽管两种结果有一致之处,还是可以看出在2DEG散射机制和输运特性的研究上更注重界面和实 际外延材料的质量的趋势. AlGaN层d或x的减少使2DEG电子的低温迁移 图3 AlGaN/GaN异质结2DEG的温度特性和散射机制 率显著上升[9].这趋势也未见到详尽的理论解释,或许应该由μ和Ns的关系进行机理研究.114 迁移率μ和面电子密度Ns的关系 大多数散射机制与2DEG电子密度有很强的函数关系.因此,实验确立的迁移率对2DEG电子密度的函数关系非常重要,因为它有助于识别主要散射机制,为进一步结构优化开辟了道路.然而,已有的研究结果莫衷一是. 第3期 张金凤等:AlGaN/GaN中二维电子气研究新进展329 Shur等[13]计算得到的结果是2DEG低温霍尔迁移率μ 随Ns增大而显著上升.这被解释为强压电材料GaN的特殊情况———Ns增大更有效地屏蔽了电离杂质散射和压电散射.Gaska等[1]观察到的行为有所不同,即低温迁移率随Ns的增大先上升后下降,在约1×1013cm-2达到峰值.在高Ns时2DEG迁移率的下降解释为电子从异质结界面量子阱“溢出”到掺杂沟道中三维非局域态,从而屏蔽作用下降,电离杂质散射加强.而I.P.Smorchkova等[9]所研究的AlGaN/GaN结构的低温霍尔迁移率μ随Ns增大而减小,并由这种函数关系判断了主要的散射机制,提出这种趋势是由于界面粗糙度散射或合金无序化散射造成的,还把这种由不同研究小组用不同方法生长的AlGaN/GaN结构中低温电输运的不同归结为结构质量对生长条件的高敏感性.DebdeepJena等[14]的计算结果(图4)与Gaska等[1]的实验结果趋势相同,图4 T=1K时2DEG电子迁移率和电子密度的关系,同时显示了各种散射机制的影响[14].阴影区域1和2分别是AlGaN/GaN样品和 AlN/GaN样品至今获得的最高迁移率 并提出若势垒层不用AlGaN而用AlN,对同样的Ns迁移率将增加. 2DEG的μ和Ns的关系在器件应用中直接影响到面电导这一具有重要实际意义的参数,因此,有必要进一步研究和探讨2DEG的μ和Ns的关系. 2 材料的缺陷对AlGaN/GaN界面2DEG性质的影响 211 位错缺陷 对生长在蓝宝石(晶格失配12%)和SiC(晶格失配315%)上的六方GaN材料,位错密度的典型值为107～1011cm-2[15,16],因此这是个值得考虑的问题.对位错的研究显示六方GaN中主要是沿外延方向的刃位 错会影响AlGaN/GaN界面2DEG的局部面电子密度[15]和迁移率[16]. DebdeepJena等[14]给出了沿外延方向的刃位错所限制的2DEG迁移率的经验公式,指出该迁移率依赖于 位错中陷阱态被占据的比率f(通常f<1,当背景杂质浓度Nd为1017cm-3,位错浓度Ndis为109cm-2,则f约为015);通过理论计算与实验结果比较,认为目前大多数样品中0 结论. 212 缓冲层缺陷 蓝宝石衬底与GaN材料较大的晶格失配使蓝宝石上直接生长GaN时,两者之间的界面上形成一个具有高密度堆垛层错等缺陷的区域.这不仅给早期研究GaN体材的性质带来了困难[3,17],还导致直接生长的AlGaN/GaN异质结质量不佳,很难形成2DEG.因为该区域的各种晶格缺陷俘获大量电子,对2DEG起了一种 耗尽的作用.因此,在蓝宝石上先生长一层AlN或GaN缓冲层(结合所需要的极性),再以MBE或MOCVD等技术生长高质量的AlGaN/GaN异质结成为现在流行的器件制作方式,但这样仍有类似的问题. 3 结束语 对AlGaN/GaN中的2DEG的研究是为了更好地将其应用于器件之中.一方面,GaN及其合金是器件应用先于了解生长和缺陷问题的少有的几个例子之一;另一方面,对传统的Ⅲ2Ⅴ半导体材料和器件已做过的大量研究为GaN及其合金(包括异质结)的研究提供了很多方法.基于AlGaN/GaN异质结的HEMT[18]最近已实现了X波段(10GHz)微波功率密度达1117W/mm的优越特性;在光电器件方面更有重大应用和产业化的突破.随着人们对氮化物高频大功率器件和光电器件研究的深入,对AlGaN/GaN中2DEG的研究必将不断深入 330 西安电子科技大学学报(自然科学版) 第30卷 和具体.而对GaN材料的缺陷和杂质问题的解决,如n型背景电子密度大大降低,外延缓冲层最优化,缺陷密度最小化,甚至出现了晶格匹配的衬底材料的时候,AlGaN/GaN中2DEG的性质必将会呈现出崭新的面貌,从而导致新的器件结构或已有器件的更佳性能.参考文献: [1][2][3][4][5][6][7][8][9] GaskaR,ShurMS,BykhovskiAD,etal.ElectronMobilityinModulation2dopedAlGaN2GaNHeterostructures[J].ApplPhysLett,1999,74(2):2872289. 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