行業(yè) | 康奈爾大學在單晶AlN襯底上實現(xiàn)HEMT器件創(chuàng)紀錄高電子遷移率和低片電阻

譯自原文
Electron mobility enhancement by electric field engineering of AlN/GaN/AlN quantum-well HEMTs on single-crystal AlN substrates

原文作者
Yu-Hsin Chen; Jimy Encomendero; Chandrashekhar Savant; Vladimir Protasenko; Huili (Grace) Xing; Debdeep Jena, Cornell University

原文鏈接
https://doi.org/10.1063/5.0190822   Appl. Phys. Lett. 124, 152111 (2024)

項目支持方
美國國防部DARPA THREADS計劃、美國能源部（DOE）基礎(chǔ)能源科學能源前沿研究中心ULTRA計劃等

摘要

為了提高量子阱高電子遷移率晶體管（QW HEMTs）中的電子遷移率，我們研究了在Al極性單晶AlN襯底上的AlN/GaN/AlN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的輸運特性。理論建模與實驗相結(jié)合表明，量子阱中高電場引起的界面粗糙度散射限制了遷移率。將量子阱寬度增加到其松弛形態(tài)可以減小內(nèi)部電場和散射，從而得到一個具有高二維電子氣（2DEG）密度為3.68x10¹³ cm^-2、遷移率為823 cm²/Vs的二元QW HEMT，以及創(chuàng)紀錄的低室溫（RT）片電阻為206 Ω/sq。進一步減小量子阱電場可以得到2DEG密度為2.53 x 10¹³ cm^-2和RT遷移率> 1000 cm²/V s。這些發(fā)現(xiàn)將為未來在超寬帶隙AlN襯底平臺上實現(xiàn)高壓和大功率微波應用開發(fā)提供可能。

基于GaN的高電子遷移率晶體管（HEMTs）由于其寬帶隙、高電子速度和形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)的能力，成為高壓和高頻應用中的領(lǐng)先平臺，從而產(chǎn)生高載流子濃度和高電子遷移率。主要在硅、SiC或藍寶石襯底上構(gòu)建的Al(Ga)N/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的GaN HEMTs表現(xiàn)出高輸出功率密度，現(xiàn)在正受到GaN的熱特性及其界面和襯底熱特性的限制，這些限制了它們的工作壽命并降低了它們的性能。關(guān)于GaN HEMTs可靠性的幾個問題，如陷阱效應和擊穿電壓，仍未解決。

為了滿足高功率和高頻運行需求，基于AlN的量子阱（QW）HEMTs提供了一個有前景的替代平臺。這種結(jié)構(gòu)涉及一個GaN QW，它容納了一個二維電子氣（2DEG），被AlN緩沖層和勢壘層包圍。AlN的超寬帶隙和高臨界電場提供了一個高度電絕緣的緩沖層，具有比GaN更大的擊穿電場和更高的熱導率，有助于在器件運行期間有效地散熱。AlN和GaN之間的大極化不連續(xù)性誘導了高密度2DEG，即使對于非常薄的AlN頂部勢壘層也是如此。由于GaN/AlN異質(zhì)結(jié)處大的導帶偏移，這些電荷被QW有效限制，使其適用于具有超縮放柵極長度的電流放大器。此外，生長在單晶AlN襯底上的QW HEMTs可以提供更高的可靠性和更低的緩沖泄漏，這歸功于它們的低位錯密度，以及與襯底沒有熱界面電阻。

盡管具有這些潛在優(yōu)勢，但與Al(Ga)N/GaN HEMTs（≈1900 cm²/V s）相比，AlN/GaN/AlN QW HEMTs中的二維電子氣（2DEGs）表現(xiàn)出較低的室溫（RT）電子遷移率。這可能是由于兩個因素：（1）GaN QW中的高電場加劇了散射；（2）同一QW中共存的二維空穴氣（2DHG）的庫侖拖曳(Coulomb Drag)。在這項工作中，我們通過結(jié)合實驗和理論研究同質(zhì)外延AlN/GaN/AlN QW HEMTs，來解決第一個因素，研究垂直電場對QW HEMTs電子輸運的影響。系統(tǒng)地改變阱的厚度，從而改變溝道中的內(nèi)部電場，以了解它們對電子遷移率的影響。

在圖1(a)中示意性描述的一系列二元AlN/GaN/AlN異質(zhì)結(jié)構(gòu)是通過分子束外延（MBE）在單晶AlN襯底上生長的。GaN量子阱（QW）的厚度（t_w）和AlN勢壘（t_b）在多個樣品中都有系統(tǒng)地變化，其中t_w = {14, 20,250} nm，t_b = {3, 6} nm。圖1(b)中顯示的數(shù)值計算的能帶圖表明，隨著QW厚度的增加，GaN QW中的垂直電場減小，導致電子波函數(shù)的重新分布。電場的減小使2DEG質(zhì)心遠離界面，從而減少了界面粗糙度（IR）散射的強度，因此提高了電子遷移率。我們發(fā)現(xiàn)，樣品C具有厚的、松弛的250 nm GaN阱，實現(xiàn)了高達3.68 x 10¹³ cm^-2的電子密度和823 cm² /V s的室溫遷移率，從而實現(xiàn)了創(chuàng)紀錄的低室溫片電阻206 Ω/sq。此外，樣品D具有250 nm厚的GaN阱和2.53 x 10¹³ cm^-2的2DEG密度，表現(xiàn)出1035 cm² /V s的室溫電子遷移率，這在二元QW HEMTs中顯示出巨大的潛力。

圖 1. (a) 本研究中的外延異質(zhì)結(jié)構(gòu)示意圖。(b) 在AlN/GaN界面處數(shù)值計算的能帶圖和電子密度。(c) 樣品A-D在(002)對稱反射附近的測量（實線）和模擬（虛線灰色線）衍射圖案。垂直虛線表示體塊、松弛AlN和GaN的預期角度。

AlN/GaN/AlN雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)是在Al極性單晶AlN襯底上使用配備了Ga和Al標準蒸發(fā)池以及射頻等離子體源的Veeco GEN10分子束外延（MBE）系統(tǒng)生長的。使用了恒定的200W射頻等離子體功率和0.5 sccm的N₂氣體流量，相應的生長速率為0.24μm/h。薄膜生長使用KSA儀器的反射高能電子衍射（RHEED）裝置進行原位監(jiān)測，該裝置配備了Staib電子槍，工作電壓為14.5 kV，電流為1.45 A。單晶AlN襯底，位錯密度<10⁴ cm^-2，由旭化成公司提供。在外延生長之前，襯底經(jīng)歷了我們早期工作中描述的明確的預處理序列。在溶劑、酸中的外化學清洗以及最后的去離子水沖洗之后，切割好的AlN襯底被裝載到MBE系統(tǒng)中，并在200℃下脫氣7小時。隨后，采用了原位Al輔助表面清潔技術(shù)，該技術(shù)涉及受控的鋁吸附和解吸循環(huán)，以有效去除表面氧化物并建立干凈的成核表面。

在Al輔助表面清潔之后，在富金屬生長條件下同質(zhì)外延生長了500 nm的AlN緩沖層，保持恒定的熱電偶溫度T_c = 1200℃。然后，過量的Al液滴在原位熱解吸。這個過程通過跟蹤解吸過程中RHEED強度的恢復來監(jiān)測。隨后，將襯底冷卻至T_c = 850℃，為GaN溝道的生長做準備。活性區(qū)域連續(xù)生長，沉積序列為GaN量子阱、AlN勢壘和GaN蓋層，所有這些都在富金屬條件下進行，沒有任何生長中斷。在外延生長之后，襯底立即冷卻至室溫，并使用HCl在外部去除過量的Ga液滴。

為了評估我們異質(zhì)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，我們對每個樣品進行了高分辨率X射線衍射（HRXRD）測試，使用的是帶有Cu K_α1輻射（1.54 Å）的Panalytical EmpyreanVR衍射儀。圖1(c)顯示了樣品A-D的衍射圖案，這些圖案是在(002)對稱反射附近測量的。圖1(c)中虛線表示的理論衍射圖案是采用動態(tài)衍射模型計算的，垂直虛線表示體塊和松弛的AlN和GaN的預期角度。AlN峰出現(xiàn)在預期的松弛值處。隨著GaN量子阱（QW）厚度的增加，GaN衍射峰的角度被看到是增加的，并趨近于其松弛值，這與(002)晶面間距的減小一致。在較薄的QW（樣品A和B）中清晰可見的干涉條紋表明存在尖銳的異質(zhì)界面。這使得由于測量結(jié)果與模擬結(jié)果之間的良好一致性，可以提取出每層的厚度。然而，在厚QW（樣品C和D）中清晰條紋的消失表明由于松弛過程可能導致晶體質(zhì)量下降，因此，厚度是基于生長速率估算的。

圖 2. (a)–(d) 分別針對樣品A-D的非對稱(-105)反射進行的高分辨率X射線衍射(RSM)。黃線定位了應變GaN QW的位置，紅線表示松弛GaN的瑞利峰(RLPs)。隨著QW厚度的增加，GaN RLPs從完全應變位置向完全松弛位置移動。(e)–(h) 生長后的樣品的10 x 10 μm²原子力顯微鏡(AFM)圖像，顯示出平滑的表面形貌。

為了量化GaN溝道內(nèi)的應變，從每個樣品中測量了倒易空間圖（RSM）。圖2中的(a)至(d)面板展示了圍繞GaN和AlN的(-105)非對稱峰的RSM。觀察到隨著QW厚度的增加，GaN倒易晶格點（RLPs）的最大反射強度從完全應變位置向完全松弛位置移動。GaN RLPs的展寬表明在QW中產(chǎn)生了缺陷，這模糊了峰值。提取的a晶格常數(shù)如下：AlN緩沖層的^AlN為3.114Å，樣品A和B的^GaN為3.114Å，樣品C和D的^GaN為3.17Å。GaN的面內(nèi)壓縮應變由?_xx =( ^GaN - GaN 0 )/ GaN 0給出。由于松弛的AlN塊狀晶體的晶格常數(shù)較小，樣品A和B中的GaN溝道表現(xiàn)出-2.3%的大壓縮應變。然而，隨著QW厚度增加到250 nm，GaN溝道中的壓縮應變減少到-0.6%（樣品C和D）。

不同應變制度的效果也體現(xiàn)在使用Asylum Research Cypher ES裝置的原子力顯微鏡（AFM）測量的相應表面形態(tài)上。樣品A和B的AFM掃描（如圖2(e)和2(f)所示），揭示了原子臺階和具有亞納米均方根（rms）粗糙度的平滑表面形態(tài)。相比之下，250 nm厚的樣品C和D的表面粗糙度較高，這是由于存在小丘和交叉網(wǎng)狀的表面形態(tài)，表明由于QW的松弛而形成了位錯[見圖2(g)和2(h)]。

通過使用焊接銦點的范德堡幾何結(jié)構(gòu)的霍爾效應測量對溫度依賴的電子輸運進行了表征。載流子濃度（ns）、遷移率（μ）和片電阻（Rs）——在300和10 K時——在表I和圖3中進行了總結(jié)。圖3中的面板（a）顯示了QW厚度對2DEG密度的影響，該密度隨t_w單調(diào)增加。這是由于阱內(nèi)內(nèi)部電場的降低，從而降低了子帶能量并使阱的電子種群更大。這一趨勢與圖3(a)中虛線所示的自洽能帶圖模擬預期的密度非常吻合。計算使用了表面勢壘高度為0.3 eV的自洽薛定諤-泊松求解器。測量的2DEG密度在低溫下幾乎保持不變，確認了它們的極化誘導起源。增加QW厚度增強了2DEG密度，這一趨勢得到了測量和模擬結(jié)果的一致支持。模擬趨勢假設(shè)GaN在AlN緩沖層上的贗晶生長。然而，在GaN QW松弛的情況下，由于AlN勢壘中的拉伸應變引入了壓電極化，預計2DEG密度會更高。

表I. 通過霍爾效應在300和10 K下測量的樣品A-D的2DEG密度（ns）、遷移率（μ）和片電阻（Rs），以及計算得到的內(nèi)部電場（Favg）。

圖 3. (a) 在300和10 K下測量的樣品A-D的2DEG密度，以及作為QW厚度（t_w）函數(shù)的模擬2DEG密度。(b) 在300和10 K下，樣品A-C在不同QW厚度（t_w）下的測量遷移率與2DEG密度之間的關(guān)系。(c) 在300和10 K下，樣品C-D在不同AlN勢壘厚度（t_b）下的測量遷移率與2DEG密度之間的關(guān)系。

圖3(b)和圖3(c)展示了樣品A-D在300和10 K下測量的遷移率與2DEG密度的關(guān)系。在圖3(b)中，對于具有恒定AlN勢壘厚度（t_b = 6 nm）的樣品A-C，隨著QW厚度的增加，2DEG密度和遷移率都增加。這一觀察到的趨勢歸因于阱內(nèi)內(nèi)部電場的減小，導致圖表中電阻較低角落的顯著偏移。值得注意的是，樣品C，其t_b/t_w=6/250 nm，表現(xiàn)出3.68 x 10¹³ cm^-2的2DEG密度和823 (1995) cm²/V s的霍爾遷移率，在300 (10) K下，實現(xiàn)了創(chuàng)紀錄的低室溫片電阻206Ω/sq。通過將AlN勢壘厚度減至3 nm，進一步提高了遷移率，如圖3(c)中樣品C-D的比較所示。這種改進是由于進一步減少了界面粗糙度和聲子散射。樣品D，其t_b/t_w = 3 nm/250 nm和2DEG密度為2.53 x 10¹³ cm^-2，在300 (10) K下表現(xiàn)出1035 (2419) cm²/V s的霍爾遷移率。

長期以來，人們一直在探討底部GaN/AlN異質(zhì)結(jié)處的二維空穴氣體（2DHG）是否會影響二維電子氣體（2DEG）的遷移率。一個潛在的擔憂是霍爾效應測量可能會采樣到2DEG和2DHG的并行導電。如果并行導電來自兩個溝道，分別是具有空穴和電子密度表示為n_s和p_s，以及相應的遷移率μ_p和μ_n，那么在低磁場下測量的表觀密度μ_Hall和遷移率μ_Hall可以表示為

其中σ_n= q x n_s x μ_n 和 σ_p = q x p_s x μ_p 是兩層的電導率，q 是電子電荷的大小。在低磁場下，電導率主要由遷移率較高的載流子決定。使用上述表達式，從測量的“表觀”霍爾遷移率（μ_Hall）中提取出2DEG遷移率（μ_n）。對于這項分析，我們在沒有誘導2DEG的AlN頂勢壘的2DHG GaN/AlN結(jié)構(gòu)中實驗測量了空穴電導率（σ_p）。這個對照樣品的示意圖，以及其溫度依賴的霍爾效應測量結(jié)果，展示在補充材料中的圖S1。圖S2呈現(xiàn)了樣品A-D的溫度依賴的測量和提取的2DEG密度和遷移率數(shù)據(jù)。提取的和測量的2DEG密度之間的差異在10%以內(nèi)，遷移率變化低于5%。此外，隨著QW厚度的增加，電導率明顯上升，使得在測量2DEG遷移率時忽略2DHG引入的誤差更加可以忽略不計。關(guān)于2DHG存在的另一個擔憂是在狹窄的GaN阱中的電子-空穴散射，導致庫侖拖曳。這些載流子拖曳效應之前在調(diào)制摻雜的GaAs QW中已經(jīng)測量到，顯示出低溫下電子的動量弛豫時間減少。未來，對于我們在這里討論的AlN/GaN/AlN結(jié)構(gòu)，我們將專注于通過n型補償摻雜去除移動的空穴，這是一種之前在N極性GaN HEMTs中用于防止2DHG形成的策略。

為了找到限制溝道遷移率的散射機制，我們結(jié)合理論傳輸模型，采用溫度依賴的霍爾效應測量，如圖4所示。黑色實心圓圈是使用前面描述的并行傳導模型提取的電子遷移率。黑線代表根據(jù)馬蒂森規(guī)則計算的總遷移率，包括來自聲子（AP）、極化光學聲子（POP）和界面粗糙度（IR）散射的貢獻。

圖4的分析顯示，室溫下的本征電子遷移率主要由POP散射決定，AP散射的貢獻較弱。隨著溫度的降低，由于聲子的凍結(jié)，電子遷移率單調(diào)增加，達到飽和，表明存在溫度獨立的IR散射機制。在圖4(a)和4(b)中，可以看到所有樣品A-D的POP散射幾乎相同，所有溫度下的主要差異是由于IR散射引起的。

在參考文獻43和27中，已經(jīng)推導出了與氮化物量子阱相關(guān)的IR散射率的顯式表達式。這種散射機制顯示出對內(nèi)電場（μ_IR ∝1/F2 avg）、QW厚度（μ_IR ∝ t 6 w）、粗糙度（μ_IR ∝ δ²）以及由于大的2DEG密度引起的屏蔽因子的依賴性。電子所經(jīng)歷的加權(quán)平均電場通過計算，其中n(z)和F(z)分別是局部電子密度和電場，分別由自洽薛定諤-泊松求解器獲得。IR的統(tǒng)計特性由相關(guān)長度（Λ）和粗糙度參數(shù)（δ）表征。在本研究中，δ被設(shè)定為1.25 nm，這是在III族氮化物異質(zhì)結(jié)中廣泛使用的值。相比之下，δ被視為一個擬合參數(shù)。我們發(fā)現(xiàn)δ與實驗測量的均方根粗糙度具有相同的數(shù)量級，樣品A和B的δ約為0.3 nm，樣品C和D的δ約為0.4 nm。

圖 4. 溫度依賴的霍爾效應測量與理論傳輸模型。黑色實心圓圈是使用并行傳導模型提取的電子遷移率。黑線代表根據(jù)馬蒂森規(guī)則計算的總遷移率，包括來自AP散射（橙色線）、POP散射（藍線）和IR散射（綠線）的貢獻。(a) 在恒定t_b