GaN基半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的外延生長(zhǎng)、物性研究和器件應(yīng)用

沈 波*，唐 寧，楊學(xué)林，王茂俊，許福軍，王新強(qiáng)，秦志新

1北京大學(xué)寬禁帶半導(dǎo)體研究中心2北京大學(xué)人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室3北京大學(xué)信息與科學(xué)技術(shù)學(xué)院微納電子學(xué)系

GaN基半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的外延生長(zhǎng)、物性研究和器件應(yīng)用

沈 波1,2*，唐 寧1,2，楊學(xué)林1,2，王茂俊1,3，許福軍1,2，王新強(qiáng)1,2，秦志新1,2

1北京大學(xué)寬禁帶半導(dǎo)體研究中心2北京大學(xué)人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室3北京大學(xué)信息與科學(xué)技術(shù)學(xué)院微納電子學(xué)系

GaN基寬禁帶半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)具有非常強(qiáng)的極化效應(yīng)、高飽和電子漂移速度、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高于室溫的居里轉(zhuǎn)變溫度、和較強(qiáng)的自旋軌道耦合效應(yīng)等優(yōu)越的物理性質(zhì)，是發(fā)展高功率微波射頻器件不可替代的材料體系，也是發(fā)展高效節(jié)能功率電子器件的主要材料體系之一，在半導(dǎo)體自旋電子學(xué)器件上亦有潛在的應(yīng)用價(jià)值。GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料、物理與器件研究已成為當(dāng)前國(guó)際上半導(dǎo)體科學(xué)技術(shù)的前沿領(lǐng)域和研究熱點(diǎn)。本文從GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)的外延生長(zhǎng)、物理性質(zhì)及其電子器件應(yīng)用三個(gè)方面對(duì)國(guó)內(nèi)外該領(lǐng)域近年來的研究進(jìn)展進(jìn)行了系統(tǒng)的介紹和評(píng)述，并簡(jiǎn)要介紹了北京大學(xué)在該領(lǐng)域的研究進(jìn)展。

GaN基寬禁帶半導(dǎo)體；外延生長(zhǎng)；二維電子氣；輸運(yùn)性質(zhì)；自旋性質(zhì)；GaN基電子器件

I.引言

新型半導(dǎo)體材料和器件的發(fā)展，及相關(guān)的半導(dǎo)體物理進(jìn)步,往往推動(dòng)著新的技術(shù)革命和新興產(chǎn)業(yè)的誕生。以GaN為代表的III族氮化物（又稱GaN基）寬禁帶半導(dǎo)體及其低維量子結(jié)構(gòu)以其優(yōu)異的光電物理特性，繼第一代半導(dǎo)體Si、Ge和第二代半導(dǎo)體GaAs、InP之后，成為第三代半導(dǎo)體的主要材料體系，也成為當(dāng)前半導(dǎo)體科學(xué)技術(shù)和半導(dǎo)體物理的主要研究領(lǐng)域之一。

GaN基半導(dǎo)體由InN、GaN、AlN三種直接帶隙化合物半導(dǎo)體材料及其組分可調(diào)的三元、四元合金組成，其禁帶寬度室溫下從 InN的 0.63 eV到 AlN的6.2 eV連續(xù)可調(diào)，覆蓋了從中紅外到深紫外的寬廣波長(zhǎng)范圍，是迄今禁帶寬度調(diào)制范圍最寬的半導(dǎo)體體系。同時(shí)，由于平衡態(tài)的GaN基半導(dǎo)體是六方對(duì)稱的纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)，在[0001]方向缺乏反演對(duì)稱性，加上化學(xué)鍵極性很強(qiáng)，GaN基半導(dǎo)體及其異質(zhì)結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的自發(fā)和壓電極化效應(yīng)，極化感應(yīng)電場(chǎng)高達(dá)MV/cm量級(jí)。帶隙調(diào)制范圍寬和極化效應(yīng)強(qiáng)是GaN基半導(dǎo)體區(qū)別于其他半導(dǎo)體體系最重要的兩個(gè)物理特征。

上世紀(jì) 80年代末、90年代初日本名古屋大學(xué)Akasaki、Amano課題組和日亞化學(xué)公司Nakamura課題組分別在GaN及其InGaN/GaN量子阱材料的外延生長(zhǎng)和 p型摻雜上取得了重大突破[1?3]，并研制出高亮度藍(lán)光發(fā)光二極管(LED)，直接導(dǎo)致了半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，引發(fā)了照明技術(shù)的革命性變化，為此，這三位科學(xué)家獲得了2014年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。近年來，隨著高效藍(lán)光、白光LED研究的不斷成熟，GaN基半導(dǎo)體材料質(zhì)量快速提升，基于GaN基半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)和二維電子氣(2DEG)特性的電子材料和器件逐漸成為GaN基寬禁帶半導(dǎo)體新的研究熱點(diǎn)，主要涉及GaN基半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的外延生長(zhǎng)、物理性質(zhì)研究和電子器件研制。

圖1.各種化合物半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)中2DEG面密度比較

GaN基半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)主要包括AlGaN/GaN、InAlN/GaN和AlN/GaN等，其中AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)是目前使用最廣、材料綜合性能最好的GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)。根據(jù)不同的應(yīng)用需求，GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)可以外延生長(zhǎng)在藍(lán)寶石、SiC或 Si襯底上。由于很強(qiáng)的極化效應(yīng)，GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)中2DEG面密度可達(dá)1013cm?2量級(jí)，是迄今2DEG密度最高的半導(dǎo)體材料體系，如圖1所示意。加上其具有的高飽和電子漂移速度、高擊穿電場(chǎng)、抗輻射、耐腐蝕等優(yōu)越的物理、化學(xué)性質(zhì)，非常適合發(fā)展高功率微波射頻器件和高效節(jié)能功率電子器件。在微波功率器件方面，基于GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)，特別是AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的高電子遷移率晶體管(HEMT)具有輸出功率密度高、工作頻率高、工作溫度高、工作帶寬高等優(yōu)越性能，能滿足新一代電子裝備對(duì)微波射頻器件更大功率、更高傳輸速度、更小體積以及更高工作溫度的要求，在相控陣?yán)走_(dá)、衛(wèi)星通訊、電子對(duì)抗等軍事領(lǐng)域和移動(dòng)通訊等民用領(lǐng)域具有不可替代的重大應(yīng)用價(jià)值。在功率電子器件（又稱電力電子器件、功率開關(guān)器件）方面，由于GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)的高2DEG密度，基于GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)的功率電子器件的導(dǎo)通電阻比相應(yīng)的Si和SiC器件分別低兩個(gè)和一個(gè)數(shù)量級(jí)，節(jié)能效益顯著，并具有開關(guān)速度快、體積小、工作溫度高等優(yōu)勢(shì)，在工業(yè)控制、電動(dòng)汽車、IT以及消費(fèi)電子領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用價(jià)值?，F(xiàn)今全球70%以上的電力電子系統(tǒng)是由基于功率電子器件的電力管理系統(tǒng)所控制，而目前占主導(dǎo)地位的Si功率電子器件自身有5～8%的能量損耗，且體積較大、工作溫度低，經(jīng)過多年的發(fā)展器件性能已接近Si材料性質(zhì)的物理極限，進(jìn)一步提升空間有限，迫切需要在新的半導(dǎo)體材料體系下發(fā)展新型的高效節(jié)能功率電子器件?；贕aN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)的HEMT器件有望成為下一代高效節(jié)能功率電子器件最有希望的競(jìng)爭(zhēng)者之一。

II.GAN基半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的外延生長(zhǎng)

A.GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)外延生長(zhǎng)概述

1991年，就在GaN基LED取得突破不久，美國(guó)APA Optics公司和南卡大學(xué)的Khan等利用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)方法首次在藍(lán)寶石襯底上外延生長(zhǎng)出AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)[4]，室溫下2DEG遷移率只有620 cm2/Vs。 1993年他們進(jìn)一步研制出國(guó)際上第一只GaN基HEMT器件[5]，由于異質(zhì)結(jié)構(gòu)2DEG遷移率較低，器件只有靜態(tài)特性，沒有微波特性。他們的工作開創(chuàng)了GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)及其電子器件研究。

高阻GaN外延層生長(zhǎng)是獲得高質(zhì)量GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。如果異質(zhì)界面2DEG溝道下面的GaN層電阻不夠高，將會(huì)產(chǎn)生并行溝道，使電子器件的夾斷特性和頻率特性惡化。而外延生長(zhǎng)的非故意摻雜GaN因點(diǎn)缺陷的存在一般呈n型，不能滿足GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)制備的需要。瑞典皇家理工學(xué)院Aggerstam等最早提出了摻Fe雜質(zhì)實(shí)現(xiàn)高阻GaN[6]?？紤]到MOCVD外延生長(zhǎng)中Fe摻雜源關(guān)斷后的殘留效應(yīng)，僅在1/3厚度GaN中摻Fe，以保證AlGaN/GaN異質(zhì)界面處沒有Fe雜質(zhì)殘留。采用這種方法實(shí)現(xiàn)的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)既沒有并行溝道，也基本避免了 Fe雜質(zhì)的散射，2DEG室溫遷移率提高到了1720 cm2/Vs[6]。這一高阻GaN外延方法目前已在GaN基微波功率器件研制中被廣泛采用。 但是強(qiáng)電場(chǎng)下GaN中Fe的穩(wěn)定性不夠好，而需要承受高壓的GaN基功率電子器件中存在強(qiáng)電場(chǎng)。加拿大微觀結(jié)構(gòu)科學(xué)研究所的Webb等在分子束外延(MBE)中以CH4作為摻雜源發(fā)展了C摻雜實(shí)現(xiàn)高阻GaN的方法[7]，電阻率達(dá)106?·cm[7]。由于C雜質(zhì)在強(qiáng)電場(chǎng)下比Fe雜質(zhì)穩(wěn)定，摻C實(shí)現(xiàn)高阻GaN在GaN基功率電子器件研制中獲得了廣泛使用。2007年，北京大學(xué)許福軍等采用MOCVD位錯(cuò)自補(bǔ)償方法也實(shí)現(xiàn)了高阻GaN外延生長(zhǎng)[8,9]，如圖2所示，GaN薄膜方塊電阻最高超過了1011?/sq,表面平整度可保持在0.16 nm，在此高阻GaN薄膜上制備出了高質(zhì)量AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)。

圖2.GaN外延薄膜方塊電阻(Rs)、刃型位錯(cuò)（ETD）密度、螺型位錯(cuò)（STD）密度隨MOCVD外延生長(zhǎng)中成核層退火壓力的變化規(guī)律[8]。

2001年，美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的 Hsu等提出在 AlGaN/GaN異質(zhì)界面采用一層很薄的 AlN插入層 (interlayer)[10]，如圖 3所示，該插入層可顯著改善AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中2DEG的輸運(yùn)性質(zhì)。UCSB的Shen等人實(shí)驗(yàn)確認(rèn)采用這一方法，2DEG室溫遷移率可超過 2000 cm2/Vs[11?12]。他們的工作大大推動(dòng)了GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料質(zhì)量的改善和HEMT器件性能的提升。日本名古屋工業(yè)大學(xué) Miyoshi等對(duì)AlN插入層的功能進(jìn)行了詳細(xì)分析[13]，確認(rèn)1 nm厚的AlN插入層可顯著改善異質(zhì)結(jié)構(gòu)中2DEG輸運(yùn)性質(zhì)的原因主要有：(1)AlN將溝道中的2DEG與三元合金AlGaN勢(shì)壘隔開，而且AlN與GaN的導(dǎo)帶階躍更大，大大提高了電子向AlGaN層中隧穿的勢(shì)壘高度，降低了隧穿幾率，從而顯著降低了溝道電子受到的合金無序散射；(2)由于AlN插入層很薄，在GaN外延層生長(zhǎng)時(shí)，不會(huì)因?yàn)榇缶Ц袷涑霈F(xiàn)晶格馳豫使界面變得粗糙，因此在減少合金無序散射的同時(shí)，并沒有增加界面粗糙度散射，從而2DEG的遷移率可大幅提高。

無疑增加 AlGaN勢(shì)壘層中 Al組分能有效提高 AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的勢(shì)壘高度，從而增強(qiáng)對(duì)2DEG的量子限制效應(yīng)。然而在MOCVD外延生長(zhǎng)過程中，由于 Al原子的表面遷移困難，會(huì)使 Al-GaN勢(shì)壘層隨Al組分提高出現(xiàn)質(zhì)量下降現(xiàn)象，從而對(duì)2DEG的散射增強(qiáng)。另一方面，Al組分的增加會(huì)提高AlGaN勢(shì)壘層的合金無序程度，從而增加合金無序散射。因此，對(duì)AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)而言，AlGaN勢(shì)壘層中Al組分存在一個(gè)最佳范圍，大量實(shí)驗(yàn)確認(rèn)這個(gè)范圍為0.2～0.3之間，對(duì)應(yīng)的勢(shì)壘層厚度最佳范圍為15～25 nm,這樣的組份和厚度一般不會(huì)引起勢(shì)壘層的應(yīng)變弛豫。

圖3.有AlN插入層（Interlayer）的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)示意圖[10]。

B.SiC襯底上GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)的外延生長(zhǎng)

由于SiC的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)大于GaN、Si和藍(lán)寶石，應(yīng)用于相控陣?yán)走_(dá)和室外移動(dòng)通訊基站的高功率 GaN基微波器件必須采用SiC襯底，以提高器件的散熱特性，降低器件結(jié)溫。隨著 SiC單晶生長(zhǎng)技術(shù)的進(jìn)步，目前3～4英寸SiC單晶襯底已廣泛使用于GaN基微波功率器件研制，6英寸SiC單晶襯底在國(guó)際上也已開始使用。

SiC襯底上GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)外延生長(zhǎng)遇到的主要問題有：(1)由于GaN在SiC襯底上的浸潤(rùn)性很差，很難成核，直接在SiC上生長(zhǎng)的高溫GaN一直處于島生長(zhǎng)狀態(tài)，很難合并成二維臺(tái)階流生長(zhǎng)，表面十分粗糙；(2)由于SiC的熱膨脹系數(shù)（4.2×10?6K?1）小于 GaN（5.6×10?6K?1），當(dāng)外延片從高溫生長(zhǎng)溫度降至室溫過程中，GaN將受到來自SiC襯底的張應(yīng)力，容易產(chǎn)生裂紋。考慮到Al原子在SiC表面有很好的粘附性，SiC襯底上外延GaN一般先選用AlN或者AlGaN作為成核層，它們不僅能促進(jìn)成核，還能夠在生長(zhǎng)過程中引入壓應(yīng)力，從而平衡降溫過程中的張應(yīng)力，防止外延層龜裂。1995年，美國(guó)北卡羅來納州立大學(xué)Weeks等在6H-SiC襯底上用AlN作為成核層，得到了表面光滑平整的 GaN外延薄膜[14]。1999年，法國(guó)CNRS的Lahreche等采用AlGaN成核層生長(zhǎng)出高質(zhì)量GaN[15]，并比較了與AlN成核層的差異。比利時(shí)IMEC的Boevkens等在4H-SiC襯底上用 AlGaN作為成核層[16]，發(fā)現(xiàn)至少需要生長(zhǎng) 250 nm厚度的成核層，后續(xù)外延的GaN才不會(huì)出現(xiàn)裂紋。2010年，我國(guó)山東大學(xué)徐現(xiàn)剛等通過優(yōu)化AlN緩沖層溫度，在6H-SiC襯底上生長(zhǎng)了4.5μm無龜裂GaN外延薄膜[17]，XRD搖擺曲線(002)和(102)半峰寬分別為159′′和194′′。2015年，瑞典Link¨oping大學(xué)課題組對(duì)SiC襯底在高溫下進(jìn)行H2預(yù)期處理再外延GaN[18]，也獲得了1.6μm厚高質(zhì)量GaN外延層，XRD搖擺曲線(002)和(102)半峰寬分別達(dá)到149′′和194′′。

由于晶格失配較小，相對(duì)于Si和藍(lán)寶石襯底，一旦解決了浸潤(rùn)層和龜裂問題，SiC襯底上GaN晶體質(zhì)量更好，因而SiC襯底上GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)2DEG的輸運(yùn)性質(zhì)也更好。UCSB、Link¨oping大學(xué)等國(guó)際上多個(gè)研究機(jī)構(gòu)，以及Cree、TriQuint/RFMD、Fujitsu、IAF等美、日、歐知名的化合物半導(dǎo)體公司均已開展 SiC襯底上 GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)外延生長(zhǎng)和微波功率器件研究多年， 多個(gè)研究機(jī)構(gòu)和公司的 SiC襯底AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)2DEG室溫遷移率普遍超過2000 cm2/Vs[19?21]，2007年我國(guó)中科院半導(dǎo)體所王曉亮等研制的SiC襯底AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)2DEG室溫遷移率達(dá)到了2215 cm2/Vs[22]，隨后國(guó)內(nèi)多所大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)，如中電集團(tuán)13所、55所、西安電子科技大學(xué)、北京大學(xué)、中科院物理所等也可以制備出高質(zhì)量的SiC襯底AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。

C.晶格匹配InAlN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的外延生長(zhǎng)

為了使GaN基HEMT器件達(dá)到超高頻率，如毫米波、太赫茲波段的應(yīng)用要求，需要進(jìn)一步降低異質(zhì)結(jié)構(gòu)勢(shì)壘層厚度來避免短溝道效應(yīng)。但是AlGaN勢(shì)壘層厚度降到10 nm以下時(shí)，2DEG密度會(huì)隨厚度減小急劇下降，這一因素限制了AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)在超高頻電子器件上的應(yīng)用潛力。

2001年，斯洛伐克科學(xué)院 Kuzm′?k首先提出利用In組分0.17～0.18、與GaN晶格匹配的InAlN合金代替 AlGaN作為異質(zhì)結(jié)構(gòu)勢(shì)壘層[23]，雖然沒有了壓電效應(yīng)， 但很強(qiáng)的自發(fā)極化效應(yīng)使超薄勢(shì)壘層的InAlN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)依然具有很高的2DEG密度（可達(dá)到3×1013cm?2）。同時(shí)，InAlN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)具有較大的導(dǎo)帶階躍，可以增強(qiáng)2DEG的空間量子限制效應(yīng)。

2006年，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院 (EPFL)Gonschorek等成功地外延生長(zhǎng)出較高質(zhì)量的InAlN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)[24]，室溫下2DEG面密度2.6×1013cm?2，遷移率達(dá)1170 cm2/Vs。2008年，該課題組制備的3 nm超薄勢(shì)壘層InAlN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)2DEG面密度達(dá)到 1.0×1013cm?2[25]。2014年，UCSB研究組在GaN自支撐襯底上外延的InAlN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)室溫下2DEG遷移率達(dá)到1800 cm2/Vs[26]，方塊電阻低至123 ?/?，用其制備的HEMT器件飽和輸出電流密度達(dá)到1 A/mm。2015年，我國(guó)中電集團(tuán)13所房玉龍等外延生長(zhǎng)出3 nm厚勢(shì)壘層的InAlN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)，室溫2DEG遷移率達(dá)到2175 cm2/Vs[27]，面密度為1.39×1013cm?2。2015年，北京大學(xué)桑玲等通過界面控制和位錯(cuò)抑制，將InAlN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)室溫2DEG遷移率進(jìn)一步提高到了2220 cm2/Vs[28]，面密度為1.25×1013cm?2。該課題組苗振林等經(jīng)過量子輸運(yùn)測(cè)量，測(cè)定InAlN/GaN異質(zhì)界面量子阱中第一和第二子帶上的 2DEG面密度分別為 1.92×1013cm2和1.67×1012cm?2，兩個(gè)子帶的能量差高達(dá)191 meV，遠(yuǎn)大于AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)[29]。由于晶格匹配 InAlN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料質(zhì)量的進(jìn)步， 2013年美國(guó)圣母大學(xué)Grace Xing等研制的InAlN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)HEMT器件截止頻率達(dá)到了400 GHz[30]。但目前InAlN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料質(zhì)量與AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)相比，依然還有較大差距，制備的器件柵漏電比較嚴(yán)重，輸出功率密度較低。

另外，具有超薄勢(shì)壘層的AlN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)也可以避免短溝道效應(yīng)，用于研制毫米波、THz波段的超高頻電子器件。2013年美國(guó) HRL實(shí)驗(yàn)室研制的AlN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)HEMT器件截止頻率超過了 450 GHz[31]。 類似于 InAlN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)，目前AlN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料質(zhì)量在2DEG遷移率以及低阻值歐姆接觸等方面與AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)相比也還有較大差距，相關(guān)工作需進(jìn)一步深入。

D.Si襯底上GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)的外延生長(zhǎng)

Si襯底上GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)的外延生長(zhǎng)和功率電子器件研制是近幾年國(guó)際上GaN基寬禁帶半導(dǎo)體領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。采用Si襯底的主要原因是材料和器件成本的考慮。盡管GaN基功率電子器件相對(duì)廣泛使用的Si器件節(jié)能效益明顯，器件其他性能優(yōu)勢(shì)也很突出。但目前GaN基功率電子器件制備成本相對(duì)于Si器件依然非常昂貴。解決成本問題的唯一出路是采用Si襯底外延生長(zhǎng)GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)，然后用生產(chǎn)Si器件的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝來制備GaN基器件，從而使器件性價(jià)比可優(yōu)于 Si器件。另外，目前大尺寸Si晶片材料已經(jīng)非常成熟，如采用 6～8英寸Si襯底，GaN的MOCVD外延成本可大幅降低。但Si襯底外延GaN的難度遠(yuǎn)高于SiC和藍(lán)寶石襯底。GaN晶體(0001)面和Si晶體(111)面的晶格失配高達(dá)16.9%，熱膨脹系數(shù)失配（熱失配）更是高達(dá)56%，因此，Si襯底上外延生長(zhǎng)GaN及其異質(zhì)結(jié)構(gòu)在應(yīng)力控制和缺陷控制上面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

表I.Si襯底上AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)2DEG室溫遷移率國(guó)際對(duì)比

圖4.Si襯底上外延生長(zhǎng) GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)的兩種主流技術(shù)路線。(a)以比利時(shí)IMEC為代表的Al組分梯度漸變多層AlGaN緩沖層方法樣品結(jié)構(gòu)示意圖[33]，(b)以日本NTT為代表的AlN/GaN超晶格緩沖層方法樣品結(jié)構(gòu)示意圖[34]。

經(jīng)過多年探索，國(guó)際上先后發(fā)展了低溫AlN插入層[32]，梯度漸變AlGaN緩沖層[33]、AlN/GaN超晶格緩沖層[34]等基于柔性襯底物理思想的 Si襯底 GaN外延生長(zhǎng)方法。1999年，日本名古屋大學(xué)Ishikawa等在AlN成核層與GaN之間插入250 nm的AlGaN緩沖層[35]，第一次在 Si襯底上實(shí)現(xiàn)了 1μm 厚無龜裂的GaN外延薄膜。2000年，德國(guó)馬德堡大學(xué) Krost課題組采用低溫AlN插入層方法實(shí)現(xiàn)了Si襯底上超過 1μm厚的無龜裂 GaN外延生長(zhǎng)[32]。2011年他們進(jìn)一步采用6層低溫AlN插入層方法使無龜裂GaN外延層厚度達(dá)到了 14.3μm[36]。 2009年，日本名古屋工業(yè)大學(xué)課題組采用AlN/GaN超晶格緩沖層方法，在4英寸Si襯底上生長(zhǎng)了厚度達(dá)9μm的無龜裂GaN外延層[37]。目前國(guó)際上形成了以比利時(shí)IMEC為代表的Al組分梯度漸變多層AlGaN緩沖層方法，和以日本NTT為代表的AlN/GaN超晶格緩沖層方法制備Si襯底上GaN的兩種主流技術(shù)路線，如圖4所示。

近幾年，國(guó)際上 Si襯底 GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料晶體質(zhì)量和電學(xué)性質(zhì)提升很快，高阻 GaN外延層的 XRD搖擺曲線半高寬 (002)和 (102)可分別小于400和600 arcsec，非高阻GaN外延層(002)搖擺曲線半高寬可降到300 arcsec以下。國(guó)際上多個(gè)課題組實(shí)現(xiàn)了2DEG室溫遷移率超過2000 cm2/V·s的高質(zhì)量Si襯底AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)，相關(guān)國(guó)際對(duì)比和參考文獻(xiàn)出處見表I。同時(shí)Si襯底上GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)的外延尺寸不斷增大，外延片直徑已經(jīng)從2～4英寸擴(kuò)大到了6～8英寸。

2015年，北京大學(xué)程建朋等發(fā)展了擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的一種大晶格失配誘導(dǎo)應(yīng)力調(diào)控方法外延生長(zhǎng)Si襯底上GaN[38?39]，即采用單層低Al組分AlGaN為控制層，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)Si襯底上GaN外延層的應(yīng)力控制和位錯(cuò)抑制，在4～6英寸Si襯底上外延生長(zhǎng)出高質(zhì)量的無龜裂GaN，實(shí)驗(yàn)確認(rèn)大部分刃型位錯(cuò)在AlN和低Al組分AlGaN界面處發(fā)生轉(zhuǎn)彎或湮滅，進(jìn)一步外延生長(zhǎng)的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)室溫2DEG遷移率達(dá)到了2240 cm2/Vs，面密度7.7×1012cm?2.室溫下異質(zhì)結(jié)構(gòu)方塊電阻均勻性為1.3%。

隨著Si襯底上GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)外延質(zhì)量的不斷改善，近年來國(guó)際上Si襯底GaN基功率電子器件的性能也不斷提升，已實(shí)現(xiàn)了比導(dǎo)通電阻為1.6 m?·cm2，耐壓為 1900 V 的耗盡型器件，以及比導(dǎo)通電阻為 1.48 m?·cm2，耐壓為 705 V的增強(qiáng)型器件[40]。日本Panasonic和美國(guó)Transphorm、EPC等公司先后推出了200～600 V等級(jí)的GaN基功率電子器件試用產(chǎn)品，示范應(yīng)用包括電動(dòng)汽車，分布式光伏發(fā)電、大數(shù)據(jù)中心和無線充電等需要高效電源管理的領(lǐng)域。但迄今為止，Si襯底上GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)的材料質(zhì)量和電學(xué)性質(zhì)與已經(jīng)比較成熟的藍(lán)寶石、SiC襯底上異質(zhì)結(jié)構(gòu)相比，依然存在明顯差距，特別是Si襯底上GaN外延片可觀的殘余應(yīng)力、局域陷阱態(tài)及其帶來的材料、器件可靠性問題還相當(dāng)嚴(yán)重，應(yīng)力和缺陷控制問題尚沒有根本解決。如何研究制備出更高質(zhì)量的 Si襯底上GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)，依然是當(dāng)前該領(lǐng)域高度關(guān)注的核心問題之一。

III.GAN基半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的物理性質(zhì)

A.GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本物理性質(zhì)

GaN基半導(dǎo)體被認(rèn)為是最適合于高溫、高頻、高功率電子器件的優(yōu)選半導(dǎo)體材料體系，這是由其一系列優(yōu)異物理性質(zhì)決定的。表II列出了主要的電子器件用半導(dǎo)體材料的一些基本物理性質(zhì)[41?45]，可以對(duì)比發(fā)現(xiàn)GaN基材料獨(dú)具的優(yōu)異特性。

表II.常見電子器件用半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)對(duì)比

第一，GaN基半導(dǎo)體非常大的禁帶寬度。決定半導(dǎo)體器件輸出功率和最高工作溫度的主要因素之一是材料的禁帶寬度。GaN的禁帶寬度遠(yuǎn)大于Si和GaAs，因而 GaN基材料在高溫和高輻射的情況下本征激發(fā)載流子較少，對(duì)研制高溫、大功率器件非常有利。理論計(jì)算表明 GaN基器件的最高有效工作溫度可達(dá)900?C[46]。實(shí)驗(yàn)也表明基于AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的HEMT器件在500?C時(shí)依然有很好的微波放大性能[47]。此外，高工作溫度有利于大大降低功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中冷卻系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，易于實(shí)現(xiàn)輕量化、小型化和高集成度。

第二，GaN和 AlGaN合金之間很大的導(dǎo)帶階躍(?EC)。由于均為六方晶體結(jié)構(gòu)，GaN和AlGaN合金之間可以形成高晶體質(zhì)量的半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)，從而在異質(zhì)界面形成具有高遷移率的2DEG。這是GaN基材料在電子器件應(yīng)用上相對(duì)于另一類寬禁帶半導(dǎo)體材料SiC的最大優(yōu)勢(shì)。更加重要的是GaN和AlN之間禁帶寬度差異很大，而且理論計(jì)算表明禁帶寬度差異的75%以上落在導(dǎo)帶上[48]。因此，AlGaN/GaN異質(zhì)界面 ?EC遠(yuǎn)大于 AlGaAs/GaAs界面。例如：室溫下 AlN/GaN異質(zhì)界面禁帶寬度差異為 2.8 eV， AlAs/GaAs界面禁帶寬度差異僅為0.75 eV，相差接近4倍。這一特點(diǎn)決定了AlGaN/GaN異質(zhì)界面三角形量子阱遠(yuǎn)比AlGaAs/GaAs界面深。

第三，GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)中非常強(qiáng)的自發(fā)和壓電極化效應(yīng)[49]。這也是GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)最為顯著的特點(diǎn)。理論計(jì)算表明當(dāng)AlGaN合金中的Al組份大于0.2時(shí)，異質(zhì)界面壓電極化電場(chǎng)高于106V/cm[50]。極化效應(yīng)對(duì)異質(zhì)界面能帶產(chǎn)生極強(qiáng)的調(diào)制，導(dǎo)致垂直于異質(zhì)界面方向上1.0 nm的空間間距就會(huì)產(chǎn)生大于0.1 eV的導(dǎo)帶彎曲。由于AlGaAs/GaAs異質(zhì)結(jié)構(gòu)中不存在極化效應(yīng)，這種極化效應(yīng)的巨大差異導(dǎo)致AlGaN/GaN異質(zhì)界面的能帶彎曲遠(yuǎn)大于AlGaAs/GaAs界面，進(jìn)而前者異質(zhì)界面三角形量子阱遠(yuǎn)深于后者。因此，即使不采用勢(shì)壘層調(diào)制摻雜，AlGaN/GaN異質(zhì)界面的2DEG面密度也可高達(dá) 1013cm?2量級(jí)，比 AlGaAs/GaAs大5～10倍。而HEMT器件的輸出功率密度顯著依賴于異質(zhì)結(jié)構(gòu)的2DEG密度。

第四，GaN基半導(dǎo)體非常高的臨界擊穿電場(chǎng)。這一特性對(duì)于功率電子器件至關(guān)重要，是決定器件最大功率處理能力的基本參量。GaN的臨界擊穿電場(chǎng)大于3×106V/cm[51]，比Si和GaAs大得多，AlGaN合金的臨界擊穿電場(chǎng)又高于GaN。

第五，GaN基半導(dǎo)體非常高的飽和電子漂移速度。實(shí)驗(yàn)表明 GaN的飽和電子漂移速度約為 3.0×107cm/s，而Si和GaAs分別為1.0×107cm/s和2.0× 107cm/s[52]。在高頻器件中電流增益特征頻率和電子渡越時(shí)間成反比，飽和漂移速度直接影響電子器件的頻率特性，因此具有高飽和漂移速度的GaN基材料擁有很好的高頻特性。此外，GaN基半導(dǎo)體還具有很低的介電常數(shù)、比較高的熱導(dǎo)率，都非常有利于高功率、高頻電子器件研制。

B.GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)2DEG的高場(chǎng)輸運(yùn)性質(zhì)

影響GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)中2DEG遷移率的散射機(jī)制主要包括合金無序散射，離化雜質(zhì)散射，界面粗糙度散射，聲學(xué)聲子散射（包括形變勢(shì)散射和壓電散射），以及極化光學(xué)聲子散射等。隨著外延方法的不斷改進(jìn)，藍(lán)寶石、SiC、Si等不同襯底上GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)性能不斷改善，室溫2DEG遷移率（也可稱為低場(chǎng)遷移率）均已突破2000 cm2/Vs[38,53?54]。

圖5.高電場(chǎng)下，GaN中電壓控制型負(fù)微分電導(dǎo)效應(yīng)在數(shù)十ns時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏骺刂菩拓?fù)微分電導(dǎo)效應(yīng)[55]。

然而，隨著電子器件特征尺寸不斷縮小，溝道中的電場(chǎng)不斷增加，強(qiáng)電場(chǎng)下GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)中2DEG的輸運(yùn)行為對(duì)器件性能的影響日趨明顯，發(fā)展到當(dāng)今的GaN基電子器件工作性能更多地取決于高場(chǎng)條件下非平衡載流子（熱電子）的輸運(yùn)行為。相關(guān)研究表明高電場(chǎng)下熱電子的能量耗散是決定其漂移速度的關(guān)鍵因數(shù)，受熱聲子效應(yīng)影響，GaN中實(shí)際能夠?qū)崿F(xiàn)的電子最高漂移速度遠(yuǎn)低于理論預(yù)期[55]。北京大學(xué)馬楠等對(duì)這一問題進(jìn)行了持續(xù)的研究，他們運(yùn)用自行設(shè)計(jì)并搭建的高場(chǎng)測(cè)量設(shè)備，與中電集團(tuán)13所合作，系統(tǒng)研究了GaN基材料的高場(chǎng)輸運(yùn)性質(zhì)，觀察到了GaN中由耿氏不穩(wěn)定性導(dǎo)致的電流控制型負(fù)微分電導(dǎo)效應(yīng)[55]，結(jié)果如圖 5所示。馬楠等結(jié)合樣品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)一步觀察到高場(chǎng)下GaN溝道中電子漂移速度的尺寸效應(yīng)[56]，即在微米到數(shù)十微米的尺度范圍內(nèi)，較窄溝道中的電子漂移速率更快，結(jié)果如圖6所示。結(jié)合理論計(jì)算確認(rèn)此效應(yīng)與熱電子在高場(chǎng)下的能量弛豫和動(dòng)量弛豫機(jī)制有關(guān)，據(jù)此提出了在GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)中有效提高電子漂移速度的途徑。最近，北京大學(xué)郭磊等進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)通過光照方法，可把 GaN溝道中電子漂移速度從1.4×107cm/s提高至2.0×107cm/s[57]，進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)確認(rèn)，由于空穴和晶格之間的強(qiáng)耦合作用使空穴在高場(chǎng)下難以被加速，其能量（溫度）低于熱電子而成為“冷”空穴，通過電子和空穴之間的能量轉(zhuǎn)移過程，這種“冷”空穴可以加速高場(chǎng)下熱電子的能量弛豫，進(jìn)而提高高場(chǎng)下的電子漂移速度。

C.GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)2DEG的量子輸運(yùn)性質(zhì)

在半導(dǎo)體物理研究中，磁輸運(yùn)（量子輸運(yùn)）測(cè)量一直是研究半導(dǎo)體低維量子體系精細(xì)能帶結(jié)構(gòu)、電子態(tài)占據(jù)狀態(tài)和載流子散射機(jī)制的主要研究手段之一。通過改變溫度﹑磁場(chǎng)、光照等外加條件，可以獲得豐富的半導(dǎo)體低維量子體系輸運(yùn)信息。

圖6.GaN溝道中電子漂移速度的尺寸效應(yīng)，寬溝道中電子漂移速度低于于窄溝道[56]。 左圖是電子漂移速度隨場(chǎng)強(qiáng)的變化關(guān)系，右圖是電子溫度隨場(chǎng)強(qiáng)的變化關(guān)系。Group A表示寬溝道樣品，溝道寬度～10μm，Group B表示窄溝道樣品，溝道寬度～μm。

圖7.實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中SdH振蕩的雙周期現(xiàn)象（左）及其對(duì)應(yīng)的異質(zhì)界面量子阱中雙子帶占據(jù)示意圖（右）[58]

AlGaN/GaN是迄今GaN基電子器件研制最重要的異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，對(duì)其異質(zhì)界面量子阱中子帶占據(jù)和散射的研究對(duì)于提升器件性能非常重要，我國(guó)科學(xué)工作者在這方面做了較為系統(tǒng)的研究。2000年，南京大學(xué)鄭澤偉等首次觀察到了AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中舒伯尼科夫—德哈斯(SdH)振蕩的雙周期現(xiàn)象[58]，如圖 7所示，揭示了異質(zhì)界面量子阱的雙子帶占據(jù)行為。他們進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)當(dāng)異質(zhì)結(jié)構(gòu)中 2DEG面密度達(dá)到7.3×1012cm?2時(shí)，異質(zhì)界面量子阱中的第二子帶開始被2DEG占據(jù)，并確定界面量子阱中第一子帶和第二子帶之間的能量間距為75 meV。隨后，同課題組進(jìn)一步用遷移率譜方法測(cè)定了第一子帶和第二子帶上載流子不同的遷移率和量子散射時(shí)間[59]。中科院上海技物所蔣春萍等對(duì)不同勢(shì)壘厚度AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中2DEG量子輸運(yùn)性質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)勢(shì)壘層厚度超過25 nm后，部分的晶格弛豫造成2DEG量子輸運(yùn)性質(zhì)的惡化[60]。北京大學(xué)的唐寧等在雙子帶占據(jù)的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中觀察到子帶間散射引起的磁電阻振蕩[61]，如圖8所示，其振蕩幅度隨溫度上升而略有減小，振蕩的頻率為兩個(gè)子帶SdH振蕩頻率之差。

圖8.不同溫度下AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中子帶間散射引起的磁電阻振蕩頻率的變化[61]

AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中2DEG密度很高，電子被限制在距離界面數(shù) nm的區(qū)域，在此情況下，合金無序散射和界面粗糙度散射成為影響 2DEG遷移率的主要散射機(jī)制。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著 2DEG密度的提高，異質(zhì)界面量子阱中的高階子帶被電子占據(jù)，這時(shí)第二子帶上的電子相對(duì)于第一子帶離界面較遠(yuǎn)，因而第一子帶中電子受到的合金無序散射和界面粗糙度散射明顯大于第二子帶中的電子，因而遷移率小于第二子帶中的電子[58]，異質(zhì)界面2DEG的總遷移率也會(huì)降低。北京大學(xué)劉思東等研究了以AlN/GaN超晶格替代高Al組分AlGaN為勢(shì)壘的GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)中 2DEG的量子輸運(yùn)性質(zhì)[62]，異質(zhì)結(jié)構(gòu)中 2DEG面密度可達(dá) 2×1013cm?2，第一子帶和第二子帶能級(jí)間距高達(dá)180 meV，遠(yuǎn)大于通常的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)。這樣的異質(zhì)結(jié)構(gòu)中沒有合金無序散射，界面粗糙度散射是決定 2DEG遷移率的最主要散射機(jī)制。量子輸運(yùn)實(shí)驗(yàn)表明AlN/GaN超晶格替代高Al組分AlGaN勢(shì)壘，可以在進(jìn)一步提高2DEG密度的同時(shí)，保持2DEG較高的遷移率。

D.GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)2DEG的本征自旋性質(zhì)

以電子自旋自由度為基礎(chǔ)的自旋電子學(xué)器件以速度快、功耗低、集成度高等優(yōu)點(diǎn)，在未來的信息技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。GaN基半導(dǎo)體具有較長(zhǎng)的自旋馳豫時(shí)間和高于室溫的居里轉(zhuǎn)變溫度，同時(shí)GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的極化電場(chǎng)，導(dǎo)致了較強(qiáng)的自旋軌道耦合。因此，GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)是研制自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管富有競(jìng)爭(zhēng)力的材料體系之一。

材料的有效g因子是決定磁場(chǎng)中塞曼自旋分裂能譜的重要參數(shù)。Knap等人通過AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)磁輸運(yùn)測(cè)量得到的有效g因子為g?=2.00±0.08[63]，隨后得到的結(jié)果為 g?=2.06±0.04[64]。北京大學(xué)的唐寧等也通過磁輸運(yùn)測(cè)量研究了AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中2DEG的塞曼自旋分裂[65]，發(fā)現(xiàn)由于交換相互作用，g?有了顯著的增加。隨后該課題組盧芳超等制作出AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)量子點(diǎn)接觸器件結(jié)構(gòu)，用低溫磁輸運(yùn)研究了量子點(diǎn)接觸中各向異性的塞曼分裂[66]，測(cè)量所得的g?遠(yuǎn)大于常規(guī)2DEG體系，它們隨子帶數(shù)的減少、溝道的變窄而逐漸增大。分析確認(rèn)量子點(diǎn)接觸結(jié)構(gòu)中g(shù)?的各向異性和異常增大與該結(jié)構(gòu)中自旋軌道耦合和電子交換相互作用隨維度的變化有關(guān)。

Rashba自旋軌道耦合效應(yīng)所調(diào)制的零場(chǎng)自旋分裂是實(shí)現(xiàn)自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管的主要物理基礎(chǔ)。根據(jù)Rashba理論，自旋軌道耦合系數(shù)和電場(chǎng)成正比，與有效質(zhì)量和禁帶寬度成反比[67]。GaN帶隙比較寬，不利于零場(chǎng)自旋分裂的產(chǎn)生。但是AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)有很強(qiáng)的極化感應(yīng)電場(chǎng)和很高的2DEG密度，強(qiáng)電場(chǎng)可以增強(qiáng)自旋軌道相互作用，使導(dǎo)帶能級(jí)的自旋簡(jiǎn)并度解除，高密度載流子也有利于自旋分裂[68]，因此寬帶隙的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中也能觀察到相當(dāng)大的零場(chǎng)自旋分裂。日本NTT的Tsubaki等首先用SdH方法觀測(cè)到了AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中2DEG的零場(chǎng)自旋分裂[69]，得到的自旋分裂能量為 2.7～3.6 meV，自旋軌道耦合系數(shù)α為2.2×10?12eV·m。 隨后北京大學(xué)的唐寧等用SdH方法在只有一個(gè)子帶被占據(jù)、Al組分0.11的低Al組分AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中也得到類似的結(jié)果[70]，如圖 9所示，說明低 Al組分異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的極化電場(chǎng)已足以產(chǎn)生相當(dāng)大的自旋分裂，同課題組進(jìn)一步測(cè)定了自旋軌道耦合系數(shù)α隨異質(zhì)結(jié)構(gòu) Al組分（這里可轉(zhuǎn)化為極化電場(chǎng)大小）的變化規(guī)律[71]。臺(tái)灣大學(xué)的 Cho和唐寧等用持續(xù)光電導(dǎo)方法改變異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的電場(chǎng)，從SdH振蕩的變化中觀測(cè)電場(chǎng)對(duì)自旋分裂的調(diào)控規(guī)律[72?73]，證明 Rashba效應(yīng)是AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中2DEG零場(chǎng)自旋分裂的主要來源，并且能夠被外加?xùn)艍赫{(diào)制，由此證明從Rashba效應(yīng)的調(diào)控角度講，AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)在自旋電子學(xué)器件上有著很好的應(yīng)用前景。

圖9.自旋分裂引起的的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中2DEG磁阻的拍頻振蕩（左）及其傅里葉轉(zhuǎn)換圖譜（右）[70]

自旋光電流效應(yīng)是研究半導(dǎo)體中自旋注入及自旋極化的常用方法。由于角動(dòng)量守恒，圓偏振光在半導(dǎo)體材料中將引起載流子的自旋不平衡分布，從而引起自旋光電流效應(yīng)。北京大學(xué)湯一喬等與中科院半導(dǎo)體所陳涌海課題組合作，首先在室溫下觀測(cè)到了 AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中圓偏振自旋光電流效應(yīng) (CPGE)[74]。北大同課題組賀小偉等人測(cè)量發(fā)現(xiàn)AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的CPGE電流隨外加應(yīng)力呈線性變化[75]，如圖 10所示，確認(rèn)在該型異質(zhì)結(jié)構(gòu)中Rashba自旋軌道耦合大于Drasselhaus自旋軌道耦合，兩者的比例為16:1。同組尹春明等進(jìn)一步發(fā)展了這一工作，測(cè)量了不同Al組分AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中Rashba/Dresselhaus系數(shù)之比[76]。

圖10.AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中CPGE電流隨外加應(yīng)力的變化[75]。左圖是不同應(yīng)力下CPGE電流的測(cè)量曲線，右圖是CPGE電流隨外加應(yīng)力的變化關(guān)系。

根據(jù)半導(dǎo)體自旋電子學(xué)理論，自旋軌道耦合會(huì)引起自旋霍爾效應(yīng)和逆自旋霍爾效應(yīng)。通過自旋軌道耦合，電流能夠產(chǎn)生垂直電流方向的自旋流，反之自旋流可以產(chǎn)生垂直于其方向的電流[75]。由于這個(gè)重要的性質(zhì)，自旋霍爾效應(yīng)從提出起就受到了廣泛的關(guān)注。如圖11所示，北京大學(xué)的賀小偉等在AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)了反常CPGE(ACPGE)效應(yīng)[78]，這一室溫條件下觀測(cè)到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以運(yùn)用逆自旋霍爾效應(yīng)獲得合理而唯一的解釋，因此AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中反常CPGE效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)可以被理解為少數(shù)室溫下可觀測(cè)到的由逆自旋霍爾效應(yīng)產(chǎn)生的物理現(xiàn)象之一。

圖11.AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中反常CPGE的觀測(cè)結(jié)果[78]。左圖表明垂直入射時(shí)可觀測(cè)到反常CPGE電流信號(hào)，且光斑在電極連線的中垂線上移動(dòng)時(shí)，該流相對(duì)于光斑位置是奇對(duì)稱的。右圖是反常CPGE電流隨圓偏振光入射角度的化，0?角度（垂直入射）時(shí)反常CPGE電流最大。

同課題組尹春明等進(jìn)一步研究了AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)光致反常霍爾效應(yīng) (PIAHE)[79]。實(shí)驗(yàn)中利用圓偏振光在樣品中形成不平衡的自旋極化，而通過外加電場(chǎng)使自旋極化電子往同一個(gè)方向漂移，從而形成穩(wěn)定的自旋流。測(cè)量得到AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中光致自旋霍爾電導(dǎo)率為 σAH=9.0×10?10??1，與理論計(jì)算吻合得很好。隨后，同組梅伏洪等提出了一種基于PIAHE和ACPGE研究自旋輸運(yùn)的方法[80]，測(cè)定了AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中2DEG的自旋擴(kuò)散系數(shù)和自旋霍爾遷移率比值。

半導(dǎo)體自旋電子學(xué)的發(fā)展目前還面臨著很大挑戰(zhàn)。要實(shí)現(xiàn)GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)在自旋電子學(xué)器件中的應(yīng)用，除了進(jìn)一步對(duì)自旋輸運(yùn)和自旋弛豫機(jī)制進(jìn)行深入研究，還需要實(shí)現(xiàn)高的自旋注入效率。一旦實(shí)現(xiàn)了高效率的自旋注入，結(jié)合長(zhǎng)的自旋弛豫時(shí)間，可被柵壓調(diào)控的自旋分裂等輸運(yùn)性質(zhì)，GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)將會(huì)在自旋邏輯器件，量子存儲(chǔ)器件，量子計(jì)算等方面有著很好的應(yīng)用前景。

IV.GAN基半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電子器件應(yīng)用

A.GaN基電子器件研究概況

GaN基電子器件主要有場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)，雙極型晶體管 (BJT)，和二極管三大類。國(guó)際上最受重視，發(fā)展最快的是GaN基FET，主要是GaN基異質(zhì)結(jié)FET(HFET，又稱為GaN基HEMT)，另外還有GaN基MESFET和GaN基MISFET。GaN基HEMT器件通過柵極電壓調(diào)控異質(zhì)界面的能帶彎曲，從而控制界面溝道中的 2DEG密度，達(dá)到調(diào)制源漏間電導(dǎo)的目的。GaN基HEMT，特別是基于Al-GaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的器件有一個(gè)顯著特點(diǎn)，就是異質(zhì)界面2DEG的面密度ns和遷移率μ的乘積ns×μ遠(yuǎn)高于GaAs基 HEMT。同時(shí)，2DEG的高遷移率進(jìn)一步拓展了GaN基HEMT的高頻功率應(yīng)用，目前器件工作頻率可達(dá)到～100 GHz的W波段。另一方面，2DEG的高輸運(yùn)能力顯著降低了GaN基HEMT器件的源漏導(dǎo)通電阻 (ON-resistance)，具有很好的高頻電能轉(zhuǎn)換效率，因此GaN基HEMT器件在功率電子應(yīng)用中也非常具有競(jìng)爭(zhēng)力。

隨著GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料外延質(zhì)量的不斷提升，GaN基電子器件研制近10年來取得了一系列突破。在微波功率器件領(lǐng)域，2004年及隨后幾年，美國(guó)UCSB的吳毅峰、張乃千等創(chuàng)新采用PECVD-SiNx鈍化技術(shù)和場(chǎng)板技術(shù)，使SiC襯底上GaN基HEMT在4GHz頻率下輸出功率密度超過了40W/mm[81]，這是迄今為止所報(bào)道的GaN基微波功率器件的最高輸出功率密度。同一課題組的Palacios等在2005年報(bào)導(dǎo)的GaN基HEMT器件在40 GHz下輸出功率密度達(dá)到了10.5 W/mm[82]。2012年美國(guó)HRL實(shí)驗(yàn)室的Shinohara等研制出20 nm柵長(zhǎng)的增強(qiáng)型GaN基HEMT，工作截止頻率達(dá)到 342 GHz，最高振蕩頻率 fmax高達(dá) 518 GHz[83]。在國(guó)內(nèi)，2011年,我國(guó)西安電子科技大學(xué)郝躍等在3 GHz頻率下實(shí)現(xiàn)了功率附加效率達(dá)73%的高性能MOS-HEMT器件[84]，這是迄今為止國(guó)際上所報(bào)道的GaN基微波器件的最高功率附加效率。近期，中電集團(tuán)13所呂元杰等結(jié)合n型重?fù)紾aN外延再生長(zhǎng)歐姆接觸技術(shù)，研制出fT/fmax為149/263 GHz的GaN基HEMT器件，fT、fmax乘積為當(dāng)前國(guó)際報(bào)道最高值。中電集團(tuán) 55所吳少兵等采用新型電子束一次成型技術(shù)，研制的W波段GaN基微波功放芯片在92 G時(shí)的輸出功率密度達(dá)到3.46 W/mm，為目前國(guó)際報(bào)道最高值[85]。中科院微電子所也在 GaN基微波功率器件和模塊上做出了一系列有特色的研究工作。這些單位的工作對(duì)滿足國(guó)家重大需求做出了貢獻(xiàn)。

在功率電子器件領(lǐng)域，目前 Si襯底 GaN基 HEMT器件是主流研究方向[86]。盡管GaN基功率電子器件與微波功率器件都是基于GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)的HEMT，但功率電子器件有更為苛刻的要求。一方面，功率電子器件的耐壓要求在200 V以上乃至上千伏，而射頻器件的工作電壓在100 V以下，這不僅對(duì) Si襯底 GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)外延質(zhì)量提出了更高要求，而且在器件的柵和場(chǎng)板結(jié)構(gòu)，表面鈍化質(zhì)量等方面也帶來了挑戰(zhàn)。2012年，美國(guó)HRL實(shí)驗(yàn)室的Chu等采用原子層沉積(ALD)Al2O3柵介質(zhì)和復(fù)合柵源場(chǎng)板結(jié)構(gòu)研制出耐壓1200V的GaN基MIS-HEMT器件[87]，并獲得了較低的動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻。另一方面，微波射頻用GaN基HEMT器件是耗盡型的，而功率電子器件由于安全性要求，必須采用增強(qiáng)型結(jié)構(gòu)，即不施加?xùn)艍簳r(shí)柵下2DEG溝道是斷開的。目前制備增強(qiáng)型GaN基功率電子器件的方法主要有3種[88]：(1)采用柵槽刻蝕方法減薄AlGaN勢(shì)壘層以削弱異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的極化效應(yīng)，從而耗盡2DEG；(2)采用F離子注入在AlGaN勢(shì)壘層中引入電負(fù)性較強(qiáng)的間隙F?離子，利用其產(chǎn)生的電場(chǎng)來耗盡2DEG；(3)p型帽層方法，即通過在AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)上加一層p型GaN或者AlGaN，通過pn結(jié)形成的空間電荷區(qū)耗盡溝道中的2DEG。

雖然當(dāng)前GaN基電子器件研制已取得了很大發(fā)展，并已在軍用和民用領(lǐng)域開始實(shí)際應(yīng)用。但依然還存在制約其性能和可靠性的一系列關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問題。這里討論的問題主要有：(1)增強(qiáng)型GaN基電子器件與異質(zhì)結(jié)構(gòu)能帶調(diào)制工程，(2)GaN基電子器件表面/界面局域態(tài)特性與調(diào)控，(3)GaN基器件中的深能級(jí)陷阱與強(qiáng)場(chǎng)下的性能退化。

B.增強(qiáng)型GaN基電子器件與異質(zhì)結(jié)構(gòu)能帶調(diào)制工程

高性能增強(qiáng)型器件的實(shí)現(xiàn)是GaN基電子器件的一大難題。從原理上講，GaN也可以和Si或SiC半導(dǎo)體一樣，在體材料上通過制備MOSFET結(jié)構(gòu)形成增強(qiáng)型器件。但異質(zhì)結(jié)構(gòu)中高密度2DEG是GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)勢(shì)，可以大幅降低電子器件的導(dǎo)通電阻。因此如何在具有高密度2DEG的異質(zhì)結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型工作模式是近年及未來一段時(shí)間GaN基電子器件的研究焦點(diǎn)之一。

目前GaN基HEMT中實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型工作模式的方法主要有柵刻蝕、F離子注入、p型帽層三種方法，以及在電路模塊中采用的級(jí)聯(lián)方法[88]。前三種方法均是通過去除或耗盡柵極下異質(zhì)結(jié)構(gòu)中2DEG的途徑實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型，最后一種方法采用Si的MOSFET與耗盡型的GaN基 HEMT級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型，在工作原理上與前三者完全不同，是一種電路技術(shù)。

柵刻蝕是國(guó)際上最早實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型GaN基HEMT的方法，利用刻蝕工藝，部分或全部去除柵下的 Al-GaN 勢(shì)壘層，削弱極化電場(chǎng)的作用，去除和降低 2DEG密度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型。由于在器件微加工過程中需要對(duì)AlGaN勢(shì)壘層進(jìn)行減薄，ICP等干法刻蝕過程引起晶格的較大損傷，降低了增強(qiáng)型溝道的電子遷移率，導(dǎo)致增強(qiáng)型器件導(dǎo)通電阻上升。針對(duì)這一問題，韓國(guó)慶北大學(xué)和三星公司的聯(lián)合研究組采用TMAH濕法處理，可有效去除刻蝕表面的高缺陷層，明顯提升了溝道中載流子遷移率[89]。北京大學(xué)王野等發(fā)展了氧化加濕法腐蝕的數(shù)字化AlGaN勢(shì)壘層刻蝕方法，把增強(qiáng)型GaN器件MOS溝道中載流子的峰值場(chǎng)效應(yīng)遷移率提高到了 251 cm2/V·s[90]。全刻蝕AlGaN勢(shì)壘層之后形成的增強(qiáng)型溝道本質(zhì)上是MOS溝道，由于無法生長(zhǎng)出像Si器件中近乎完美的SiO2介質(zhì)層，GaN基MOS溝道中載流子遷移率較低，制約了器件性能。近年國(guó)際上的發(fā)展趨勢(shì)是采用AlGaN勢(shì)壘層局部刻蝕，形成增強(qiáng)型2DEG溝道，即增強(qiáng)型MOS-HEMT器件，可提高溝道中的載流子遷移率。中科院微電子所黃森等采用高溫ICP刻蝕方法，有效減小了刻蝕損傷，把增強(qiáng)型溝道中載流子遷移率提高到600 cm2/V·s[91]。香港科技大學(xué)陳敬等通過在GaN溝道中引入AlN插入層，增強(qiáng)型溝道電子的峰值場(chǎng)效應(yīng)遷移率達(dá)1801 cm2/V·s[92]。但由于極化電場(chǎng)的影響，這種器件結(jié)構(gòu)難以同步實(shí)現(xiàn)3 V以上的閾值電壓。

GaN基半導(dǎo)體化學(xué)穩(wěn)定性好，難以被刻蝕。與此同時(shí)，由于在 GaN基半導(dǎo)體表面存在氧化層，基于 Cl基的等離子體刻蝕存在刻蝕速率不穩(wěn)定、刻蝕深度重復(fù)性差等問題。更為嚴(yán)重的是由于強(qiáng)極化電場(chǎng)，AlGaN勢(shì)壘層的能帶彎曲很劇烈，所保留的AlGaN勢(shì)壘層厚度決定了器件所能達(dá)到的閾值電壓。美國(guó)MIT的研究人員采用AlN插入層和SF6作為刻蝕氣體，利用AlF3不易揮發(fā)的特點(diǎn)，在n-GaN/AlN/GaN結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)了自停止刻蝕[93]。北京大學(xué)徐哲等發(fā)展了基于干法氧化加濕法腐蝕的自停止AlGaN勢(shì)壘層刻蝕方法，該方法有效提高了柵刻蝕的一致性[94]。同課題組林書勛等在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展了自停止、無等離子體、部分勢(shì)壘層刻蝕的方法[95]，如圖12所示，準(zhǔn)增強(qiáng)型溝道的載流子遷移率提升到了1400 cm2/V·s，閾值電壓均勻性可保持在±0.1 V。

圖12.實(shí)現(xiàn)自停止/無等離子體/部分勢(shì)壘層刻蝕的 GaN基HEMT材料結(jié)構(gòu)（左） 和器件結(jié)構(gòu)（右）的TEM照片[95]

香港科大陳敬等提出的 F離子注入法是增強(qiáng)型 GaN基器件發(fā)展過程中富有特色的技術(shù)路線[88]。由于F離子具有較強(qiáng)的電負(fù)性，在離子注入或等離子體處理后進(jìn)入勢(shì)壘層，形成帶負(fù)電的固定電荷，從而調(diào)制能帶結(jié)構(gòu)，耗盡溝道中2DEG，形成增強(qiáng)型器件。F離子的穩(wěn)定性是人們對(duì)這種方法最大的顧慮，后續(xù)的分子動(dòng)力學(xué)模擬以及高溫、高場(chǎng)下的可靠性試驗(yàn)表明F離子在適當(dāng)?shù)臈l件下在GaN基半導(dǎo)體中可以保持較好的穩(wěn)定性。

p型帽層增強(qiáng)型GaN基器件從半導(dǎo)體器件的角度看屬于JFET器件結(jié)構(gòu)[96]，如圖13所示，該方法利用柵下的pn結(jié)耗盡2DEG，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型工作。器件閾值電壓由 pn結(jié)的開啟電壓決定。由于器件結(jié)構(gòu)中存在pn結(jié)，可以利用其實(shí)現(xiàn)GaN基HEMT器件無法實(shí)現(xiàn)的功能，如緩沖層電導(dǎo)調(diào)制等[97]，這對(duì)電流坍塌有較好的抑制作用。目前該方法已被國(guó)際上多家電子器件公司，如Panasonic、EPC、GaN Systems等采用。該方法相對(duì)不足的是當(dāng)柵壓擺幅增加時(shí)，存在pn結(jié)的正向?qū)娏?。另外，p型帽層外延生長(zhǎng)過程中p型雜質(zhì)易于引起MOCVD生長(zhǎng)系統(tǒng)的記憶效應(yīng)，使得GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)輸運(yùn)性質(zhì)退化。

圖13.日本 Panasonic公司采用的 p型 AlGaN帽層增強(qiáng)型GaN基HEMT器件結(jié)構(gòu)示意圖[96]

Cascode級(jí)聯(lián)方法是從電路層次調(diào)整功率電子器件閾值電壓的電路技術(shù)[88]，由于其完全由Si基MOSFET決定閾值電壓和其他電路特性，GaN基器件只承擔(dān)阻斷功能，因此對(duì)GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料質(zhì)量要求和器件制備工藝要求均可以降低。不足的地方是封裝時(shí)的互聯(lián)使得器件寄生電感較大，影響了器件在高開關(guān)頻率下的應(yīng)用。同時(shí)Si器件的引入使得cascode的器件失去了GaN基電子器件可高溫工作的優(yōu)點(diǎn)，整個(gè)電路模塊工作溫度被限定在150?C以下。

C.GaN基電子器件表面/界面局域態(tài)特性與調(diào)控

無論是微波射頻還是功率電子應(yīng)用，GaN基HEMT器件一般會(huì)經(jīng)歷高漏極偏置OFF-state工作狀態(tài)，在該狀態(tài)下構(gòu)成柵極漏電的電子在柵邊緣高場(chǎng)作用下極易隧穿到AlGaN勢(shì)壘層的表面局域態(tài)上。另一方面，2DEG溝道下面的GaN緩沖層中的深能級(jí)陷阱態(tài)在高漏極偏置下也會(huì)由于準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)的變化被電子填充。當(dāng)器件再次回到ON-state時(shí)，由于表面態(tài)或緩沖層中深能級(jí)的放電時(shí)間常數(shù)較長(zhǎng)，跟不上器件工作的特征頻率，2DEG在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)處于部分耗盡狀態(tài)，最終導(dǎo)致器件的高場(chǎng)電流坍塌[98]。對(duì)GaN基微波功率器件，電流坍塌表現(xiàn)為DC-RF頻散，輸出功率嚴(yán)重壓縮。而對(duì)功率電子器件，電流坍塌則表現(xiàn)為動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻的明顯增大，在高速開關(guān)過程中器件的靜態(tài)能耗和動(dòng)態(tài)損耗變大，造成電能轉(zhuǎn)換效率降低。為抑制GaN基HEMT表面局域態(tài)導(dǎo)致的電流坍塌，目前主要是采用CVD方法在HEMT表面沉積一層SiNx介質(zhì)層以鈍化表面局域態(tài)[99]。

另一方面，為了抑制GaN基HEMT肖特基柵極的漏電，人們會(huì)在柵金屬與AlGaN間插入一層高絕緣柵介質(zhì)制備成MIS-HEMT器件結(jié)構(gòu)，以滿足GaN基功率電子器件低漏電、高擊穿電壓的要求。ALDAl2O3和LPCVD-SiNx是目前GaN基MIS-HEMTs中采用的兩種主要柵介質(zhì)。柵介質(zhì)的引入可顯著抑制柵極正反向漏電，然而也帶來了界面局域態(tài)問題。柵介質(zhì)與AlGaN間的界面態(tài)分布很廣，特別是位于導(dǎo)帶以下1 eV左右的深能級(jí)，其電子發(fā)射時(shí)間常數(shù)在幾百秒甚至更長(zhǎng)時(shí)間，在柵極開關(guān)過程中，這些深能級(jí)的充放電會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的柵極閾值電壓不穩(wěn)定[100]。

因此，鈍化介質(zhì)和柵介質(zhì)與 AlGaN間的深能級(jí)表/界面局域態(tài)是導(dǎo)致GaN基HEMT和MIS-HEMT器件電流坍塌和閾值不穩(wěn)定性的主要因素。美國(guó)德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校 Hinkle等發(fā)現(xiàn)在含有 Ga元素的 III-V半導(dǎo)體材料表面,含有三價(jià) Ga3+的自然氧化層是其表面費(fèi)米釘扎的主要原因[101]。在纖鋅礦結(jié)構(gòu)Ga面GaN中,自然氧化所導(dǎo)致的表面Ga-O鍵被認(rèn)為是表面/界面態(tài)的主要來源。香港科技大學(xué)楊樹等發(fā)展了一種原位低損傷GaN和AlGaN表面處理方法,如圖12所示。研究確認(rèn)NH3/Ar/N2原位處理不僅能有效去除GaN表面的Ga-O鍵,而且充分的氮化處理能防止氧化物柵介質(zhì)淀積造成的表面再氧化[102]，這一方法將導(dǎo)帶下EC-0.3 eV到EC-0.78 eV范圍內(nèi)的界面態(tài)密度降到了2.0×1012cm?2eV?1。

圖14.香港科大發(fā)展的原位低損傷GaN表面處理過程示意圖[102]。先采用NH3/Ar遠(yuǎn)程等離子體去除其表面的自然氧化層,然后進(jìn)行N2等離子體處理補(bǔ)償近表面的N空位,緊接著淀積一層ALD-Al2O3介質(zhì)。

盡管界面氮化插入層方法在降低GaN基功率電子器件界面態(tài)上取得了顯著進(jìn)展,然而相對(duì)于Si/SiO2系統(tǒng)，介質(zhì)層/GaN或AlGaN界面態(tài)密度仍然偏高.同為氧化成鍵，Si與高溫本征氧化層 SiO2間的界面態(tài)密度可以低到 1011cm?2eV?1量級(jí)，而GaN上高質(zhì)量本征氧化層很難獲得.因此需要從GaN基半導(dǎo)體獨(dú)特的強(qiáng)極化特性，以及界面原子結(jié)構(gòu)等微觀層面切入，來深入探討GaN基器件表面/界面態(tài)起源的物理原因和調(diào)控方法。

D.GaN基器件中的深能級(jí)陷阱與強(qiáng)場(chǎng)下的性能退化

GaN基半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的一大優(yōu)勢(shì)是高擊穿場(chǎng)強(qiáng)，理論計(jì)算其臨界擊穿電場(chǎng)高于3 MV/cm，是Si器件的10倍，因此高工作電壓是GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料和器件的一大優(yōu)勢(shì)。但迄今為止，由于GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)是不同襯底上的異質(zhì)外延方法所制備，晶體中缺陷密度高，GaN基器件還不具備真正的雪崩能力，軟擊穿依然是器件失效的主導(dǎo)原因。前幾年研究發(fā)現(xiàn)柵極反向隧穿漏電[103]或者表面hopping[104]是GaN基電子器件的擊穿機(jī)制，擊穿電場(chǎng)較低。近幾年隨著異質(zhì)結(jié)構(gòu)外延質(zhì)量和器件微加工技術(shù)的不斷改進(jìn)，GaN基電子器件的有效擊穿電場(chǎng)已提高到接近2 MV/cm[105]。

由于GaN基HEMT是多子器件，異質(zhì)結(jié)構(gòu)中需要采用高阻GaN緩沖層。非故意摻雜引入的O等雜質(zhì)導(dǎo)致非故意摻雜GaN呈n型，在未充分補(bǔ)償?shù)臈l件下器件易于穿通[106]，引起源端注入導(dǎo)致的三端擊穿[107]。如何補(bǔ)償施主雜質(zhì)而不引起明顯的局域態(tài)陷阱效應(yīng)是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高阻GaN緩沖層的關(guān)鍵。由于GaN基微波功率器件的工作電壓當(dāng)前仍限制在50 V以下，目前采用Fe摻雜實(shí)現(xiàn)半絕緣GaN緩沖層的方法已可滿足微波功率器件的應(yīng)用需求。

但GaN基功率電子器件對(duì)GaN緩沖層的要求苛刻得多，國(guó)際上一般采用 C雜質(zhì)補(bǔ)償方法實(shí)現(xiàn)半絕緣GaN緩沖層，雜質(zhì)的引入在提高耐壓的同時(shí)引起了各種局域態(tài)陷阱效應(yīng)。一般認(rèn)為在高電場(chǎng)下，電子通過隧穿或者熱電子注入到緩沖層的陷阱中且不易回到2DEG溝道[108]，使得器件導(dǎo)通時(shí)的動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻增加，動(dòng)態(tài)特性退化。迄今為止，人們對(duì)高阻GaN緩沖層中的局域態(tài)性質(zhì)以及高電場(chǎng)條件下局域態(tài)對(duì)溝道載流子的捕獲和釋放機(jī)制的研究還比較欠缺，甚至對(duì)C雜質(zhì)在GaN中行為的理解也不充分，主要原因是GaN的禁帶寬度大、2DEG溝道和陷阱態(tài)在實(shí)空間上分離、以及GaN緩沖層的高阻性質(zhì)，使得常規(guī)的半導(dǎo)體局域態(tài)研究方法難以直接獲得高阻緩沖層中陷阱態(tài)的相關(guān)物理信息。意大利Podova大學(xué)的研究人員在這方面開展了較系統(tǒng)的工作，發(fā)現(xiàn)緩沖層中引起動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻增加的局域態(tài)陷阱來源于具有熱激活捕獲截面的點(diǎn)缺陷[109]。進(jìn)一步深入研究還需要發(fā)展針對(duì)寬禁帶和高阻半導(dǎo)體的局域態(tài)測(cè)量方法，以獲得GaN高阻緩沖層中陷阱態(tài)的物理信息及其與異質(zhì)結(jié)構(gòu)外延生長(zhǎng)參數(shù)的關(guān)聯(lián)規(guī)律。與此同時(shí)，器件的耐壓和動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻存在客觀的矛盾，需要根據(jù)應(yīng)用需求，尋找合適的平衡點(diǎn)。

另外，Si襯底的采用導(dǎo)致GaN基功率電子器件所能承受的電壓被器件垂直方向的電場(chǎng)所限制，耐壓特性與外延層結(jié)構(gòu)的總厚度密切相關(guān)。比利時(shí)IMEC采用部分刻蝕Si襯底的方法在2μm厚緩沖層上實(shí)現(xiàn)了高達(dá)2200 V耐壓的 GaN基功率電子器件[110]，如圖15所示。

圖15.比利時(shí)IMEC研制的局部Si襯底去除GaN基HEMT器件結(jié)構(gòu)示意圖（左）和器件擊穿特性曲線（右）[110]

綜上所述，如何在大晶格失配和大熱失配Si襯底上生長(zhǎng)出高阻、高耐壓、低陷阱效應(yīng)的異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料是提高GaN基功率電子器件性能的關(guān)鍵。迄今人們對(duì)這一問題，及其背后的缺陷物理的認(rèn)識(shí)和理解還很不夠，針對(duì)GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)和功率電子器件特定需求的缺陷物理表征方法也有待發(fā)展，需要進(jìn)一步深入的研究工作。

V.小結(jié)與展望

GaN基寬禁帶半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)具有非常強(qiáng)的壓電和自發(fā)極化效應(yīng)、高飽和電子漂移速度、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、抗輻射、耐腐蝕等優(yōu)越的物理、化學(xué)性質(zhì)，是發(fā)展高功率微波射頻器件不可替代的材料體系，也是發(fā)展高效節(jié)能功率電子器件的主要材料體系之一。同時(shí)，由于具有較長(zhǎng)的自旋馳豫時(shí)間、高于室溫的居里轉(zhuǎn)變溫度、以及由極化電場(chǎng)導(dǎo)致的較強(qiáng)自旋軌道耦合，GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)也是研制自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管富有競(jìng)爭(zhēng)力的材料體系之一。過去10多年，GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)的外延生長(zhǎng)、物性研究與電子器件研制一直是國(guó)際上半導(dǎo)體科學(xué)技術(shù)和半導(dǎo)體物理的前沿領(lǐng)域和研究熱點(diǎn)，已取得一系列重要突破。

在異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的外延生長(zhǎng)方面，經(jīng)過多年的努力，藍(lán)寶石和SiC襯底上GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)的外延生長(zhǎng)方法已比較成熟，基本可滿足器件研制和物性研究的需要，而受到高度關(guān)注的Si襯底GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)的外延生長(zhǎng)也取得了很大進(jìn)展，材料質(zhì)量已接近器件應(yīng)用的要求，但在異質(zhì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力控制、缺陷控制上離實(shí)用化還有差距。目前，GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)根據(jù)不同應(yīng)用的需要，復(fù)合勢(shì)壘結(jié)構(gòu)和復(fù)合溝道結(jié)構(gòu)，如超晶格勢(shì)壘、背勢(shì)壘、雙溝道等被廣泛采用，用于毫米波工作頻率的晶格匹配InAlN/GaN、AlN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)等也受到了人們的關(guān)注。

GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)物性研究主要圍繞其高密度2DEG性質(zhì)展開，在2DEG的高場(chǎng)輸運(yùn)性質(zhì)、量子輸運(yùn)性質(zhì)等方面取得了一系列進(jìn)展，目前已基本清楚GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面量子阱的精細(xì)能帶結(jié)構(gòu)、子帶占據(jù)和散射機(jī)制，以及高場(chǎng)下的負(fù)微分電阻性質(zhì)和耿氏振蕩特性。在2DEG的本征自旋性質(zhì)研究上，人們對(duì)其塞曼自旋分裂及其各向異性、Rashba自旋軌道耦合及其零場(chǎng)自旋分裂有了比較清楚的認(rèn)識(shí)，對(duì)自旋輸運(yùn)和自旋馳豫也有了一定程度的了解，但異質(zhì)結(jié)構(gòu)的自旋注入效率尚待突破。另外，近幾年面向GaN基電子材料和器件應(yīng)用的缺陷物理和缺陷控制研究取得了很大進(jìn)展，有效促進(jìn)了材料和器件性能的提升，但這方面工作還不能滿足需求，有待進(jìn)一步深入。

在GaN基電子器件研制方面，目前GaN基微波功率器件已取得一系列關(guān)鍵突破，除軍事應(yīng)用外，未來幾年將在5G移動(dòng)通訊基站上開始規(guī)模應(yīng)用，在5G手機(jī)微波功放上的應(yīng)用也有可能實(shí)現(xiàn)。高功率散熱、線性度提升、高工作電壓器件、毫米波器件是未來幾年GaN基微波功率器件的主要研究方向。GaN基功率電子器件是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，市場(chǎng)潛力巨大，但目前還有一系列關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問題有待攻克。其中應(yīng)力/缺陷可控的高質(zhì)量Si襯底GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)外延生長(zhǎng)、高閾值電壓增強(qiáng)型器件、表面/界面態(tài)特性和GaN緩沖層陷阱態(tài)特性與調(diào)控等問題將是未來一段時(shí)間的研究重點(diǎn)。GaN自支撐襯底上的垂直結(jié)構(gòu)GaN基功率電子器件由于在降低開態(tài)電阻及提高擊穿電壓方面的潛在優(yōu)勢(shì)，也將受到人們的重視。另外，盡管還面臨很大挑戰(zhàn)，GaN基自旋電子學(xué)器件，特別是自旋FET依然是該領(lǐng)域追求的目標(biāo)之一，一旦突破，將在自旋邏輯器件、量子存儲(chǔ)器件、量子計(jì)算等方面有很好的應(yīng)用前景。

致謝

感謝南京大學(xué)鄭有炓老師，中科院上海技術(shù)物理研究所褚君浩老師，中科院半導(dǎo)體研究所鄭厚植老師，香港科技大學(xué)葛惟昆老師，北京大學(xué)甘子釗、張國(guó)義老師在該文涉及的研究工作上多年的指導(dǎo)和幫助。感謝國(guó)家科技重點(diǎn)專項(xiàng) (2016YFB0400100、2016YFB0400200)、國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目 (2013CB921901、2013CB632804)，國(guó)家自然科學(xué)基金(11634002、61521004、61361166007、61376095、61522401、61574006、61204099)和北京市科技計(jì)劃項(xiàng)目(Z151100003315002)對(duì)本文涉及工作的大力支持。

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Study of the epitaxial growth,physical properties and electronic devices of GaN-based semiconductor heterostructures

Shen Bo1,2,,Tang Ning1,2,Yang Xue-Lin1,2,Wang Mao-Jun1,3,Xu Fu-Jun1,2,Wang Xin-Qiang1,2,Qin Zhi-Xin1,2
1.Research Center of Wide band-gap semiconductors,Peking University,Beijing 100871,China 2.State Key Laboratory of Arti fi cial Microstructure and Mesoscopic Physics,Peking University,Beijing 100871,China 3.Institute of Microelectronics,School of Electronics Engineering and Computer Science,Peking University,Beijing 100871,China

Owing to their excellent physical properties,such as strong piezoelectric and spontaneous polarization,high saturation drift velocity,high critical breakdown electric fi eld,high Curie temperature,and strong spin–orbit coupling e ff ect,GaN-based wide band-gap semiconductor heterostructures are the most favorite materials in developing high-power microwave electronic devices as well as energy-saving power electronic devices.Potential applications in semiconductor spintronics are also expected.Therefore,the study of GaN-based heterostructure materials, physics,and devices has attracted great interest in the world in recent years.In this paper, world-wide research progresses on the epitaxial growth,physical properties and device fabrication of GaN-based heterostructures in recent years are reviewed,including a brief introduction of the academic achievements in this fi eld at Peking University.

GaN-based wide band-gap semiconductors,epitaxial growth,two dimensional electron gas(2DEG),transport properties,spin properties,GaN-based electronic devices

date:2016-12-30

O47

A

10.13725/j.cnki.pip.2017.03.001

*E-mail:bshen@pku.edu.cn

1000-0542(2017)03-0081-17