行业 | 康奈尔大学在单晶AlN衬底上实现HEMT器件创纪录高电子迁移率和低片电阻

译自原文
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

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

项目支持方
美国国防部DARPA THREADS计划、美国能源部（DOE）基础能源科学能源前沿研究中心ULTRA计划等

摘要

为了提高量子阱高电子迁移率晶体管（QW HEMTs）中的电子迁移率，我们研究了在Al极性单晶AlN衬底上的AlN/GaN/AlN异质结构中的输运特性。理论建模与实验相结合表明，量子阱中高电场引起的界面粗糙度散射限制了迁移率。将量子阱宽度增加到其松弛形态可以减小内部电场和散射，从而得到一个具有高二维电子气（2DEG）密度为3.68x10¹³ cm^-2、迁移率为823 cm²/Vs的二元QW HEMT，以及创纪录的低室温（RT）片电阻为206 Ω/sq。进一步减小量子阱电场可以得到2DEG密度为2.53 x 10¹³ cm^-2和RT迁移率> 1000 cm²/V s。这些发现将为未来在超宽带隙AlN衬底平台上实现高压和大功率微波应用开发提供可能。

基于GaN的高电子迁移率晶体管（HEMTs）由于其宽带隙、高电子速度和形成异质结构的能力，成为高压和高频应用中的领先平台，从而产生高载流子浓度和高电子迁移率。主要在硅、SiC或蓝宝石衬底上构建的Al(Ga)N/GaN异质结构的GaN HEMTs表现出高输出功率密度，现在正受到GaN的热特性及其界面和衬底热特性的限制，这些限制了它们的工作寿命并降低了它们的性能。关于GaN HEMTs可靠性的几个问题，如陷阱效应和击穿电压，仍未解决。

为了满足高功率和高频运行需求，基于AlN的量子阱（QW）HEMTs提供了一个有前景的替代平台。这种结构涉及一个GaN QW，它容纳了一个二维电子气（2DEG），被AlN缓冲层和势垒层包围。AlN的超宽带隙和高临界电场提供了一个高度电绝缘的缓冲层，具有比GaN更大的击穿电场和更高的热导率，有助于在器件运行期间有效地散热。AlN和GaN之间的大极化不连续性诱导了高密度2DEG，即使对于非常薄的AlN顶部势垒层也是如此。由于GaN/AlN异质结处大的导带偏移，这些电荷被QW有效限制，使其适用于具有超缩放栅极长度的电流放大器。此外，生长在单晶AlN衬底上的QW HEMTs可以提供更高的可靠性和更低的缓冲泄漏，这归功于它们的低位错密度，以及与衬底没有热界面电阻。

尽管具有这些潜在优势，但与Al(Ga)N/GaN HEMTs（≈1900 cm²/V s）相比，AlN/GaN/AlN QW HEMTs中的二维电子气（2DEGs）表现出较低的室温（RT）电子迁移率。这可能是由于两个因素：（1）GaN QW中的高电场加剧了散射；（2）同一QW中共存的二维空穴气（2DHG）的库仑拖曳(Coulomb Drag)。在这项工作中，我们通过结合实验和理论研究同质外延AlN/GaN/AlN QW HEMTs，来解决第一个因素，研究垂直电场对QW HEMTs电子输运的影响。系统地改变阱的厚度，从而改变沟道中的内部电场，以了解它们对电子迁移率的影响。

在图1(a)中示意性描述的一系列二元AlN/GaN/AlN异质结构是通过分子束外延（MBE）在单晶AlN衬底上生长的。GaN量子阱（QW）的厚度（t_w）和AlN势垒（t_b）在多个样品中都有系统地变化，其中t_w = {14, 20,250} nm，t_b = {3, 6} nm。图1(b)中显示的数值计算的能带图表明，随着QW厚度的增加，GaN QW中的垂直电场减小，导致电子波函数的重新分布。电场的减小使2DEG质心远离界面，从而减少了界面粗糙度（IR）散射的强度，因此提高了电子迁移率。我们发现，样品C具有厚的、松弛的250 nm GaN阱，实现了高达3.68 x 10¹³ cm^-2的电子密度和823 cm² /V s的室温迁移率，从而实现了创纪录的低室温片电阻206 Ω/sq。此外，样品D具有250 nm厚的GaN阱和2.53 x 10¹³ cm^-2的2DEG密度，表现出1035 cm² /V s的室温电子迁移率，这在二元QW HEMTs中显示出巨大的潜力。

图 1. (a) 本研究中的外延异质结构示意图。(b) 在AlN/GaN界面处数值计算的能带图和电子密度。(c) 样品A-D在(002)对称反射附近的测量（实线）和模拟（虚线灰色线）衍射图案。垂直虚线表示体块、松弛AlN和GaN的预期角度。

AlN/GaN/AlN双异质结构是在Al极性单晶AlN衬底上使用配备了Ga和Al标准蒸发池以及射频等离子体源的Veeco GEN10分子束外延（MBE）系统生长的。使用了恒定的200W射频等离子体功率和0.5 sccm的N₂气体流量，相应的生长速率为0.24μm/h。薄膜生长使用KSA仪器的反射高能电子衍射（RHEED）装置进行原位监测，该装置配备了Staib电子枪，工作电压为14.5 kV，电流为1.45 A。单晶AlN衬底，位错密度<10⁴ cm^-2，由旭化成公司提供。在外延生长之前，衬底经历了我们早期工作中描述的明确的预处理序列。在溶剂、酸中的外化学清洗以及最后的去离子水冲洗之后，切割好的AlN衬底被装载到MBE系统中，并在200℃下脱气7小时。随后，采用了原位Al辅助表面清洁技术，该技术涉及受控的铝吸附和解吸循环，以有效去除表面氧化物并建立干净的成核表面。

在Al辅助表面清洁之后，在富金属生长条件下同质外延生长了500 nm的AlN缓冲层，保持恒定的热电偶温度T_c = 1200℃。然后，过量的Al液滴在原位热解吸。这个过程通过跟踪解吸过程中RHEED强度的恢复来监测。随后，将衬底冷却至T_c = 850℃，为GaN沟道的生长做准备。活性区域连续生长，沉积序列为GaN量子阱、AlN势垒和GaN盖层，所有这些都在富金属条件下进行，没有任何生长中断。在外延生长之后，衬底立即冷却至室温，并使用HCl在外部去除过量的Ga液滴。

为了评估我们异质结构的结构质量，我们对每个样品进行了高分辨率X射线衍射（HRXRD）测试，使用的是带有Cu K_α1辐射（1.54 Å）的Panalytical EmpyreanVR衍射仪。图1(c)显示了样品A-D的衍射图案，这些图案是在(002)对称反射附近测量的。图1(c)中虚线表示的理论衍射图案是采用动态衍射模型计算的，垂直虚线表示体块和松弛的AlN和GaN的预期角度。AlN峰出现在预期的松弛值处。随着GaN量子阱（QW）厚度的增加，GaN衍射峰的角度被看到是增加的，并趋近于其松弛值，这与(002)晶面间距的减小一致。在较薄的QW（样品A和B）中清晰可见的干涉条纹表明存在尖锐的异质界面。这使得由于测量结果与模拟结果之间的良好一致性，可以提取出每层的厚度。然而，在厚QW（样品C和D）中清晰条纹的消失表明由于松弛过程可能导致晶体质量下降，因此，厚度是基于生长速率估算的。

图 2. (a)–(d) 分别针对样品A-D的非对称(-105)反射进行的高分辨率X射线衍射(RSM)。黄线定位了应变GaN QW的位置，红线表示松弛GaN的瑞利峰(RLPs)。随着QW厚度的增加，GaN RLPs从完全应变位置向完全松弛位置移动。(e)–(h) 生长后的样品的10 x 10 μm²原子力显微镜(AFM)图像，显示出平滑的表面形貌。

为了量化GaN沟道内的应变，从每个样品中测量了倒易空间图（RSM）。图2中的(a)至(d)面板展示了围绕GaN和AlN的(-105)非对称峰的RSM。观察到随着QW厚度的增加，GaN倒易晶格点（RLPs）的最大反射强度从完全应变位置向完全松弛位置移动。GaN RLPs的展宽表明在QW中产生了缺陷，这模糊了峰值。提取的a晶格常数如下：AlN缓冲层的^AlN为3.114Å，样品A和B的^GaN为3.114Å，样品C和D的^GaN为3.17Å。GaN的面内压缩应变由Є_xx =( ^GaN - GaN 0 )/ GaN 0给出。由于松弛的AlN块状晶体的晶格常数较小，样品A和B中的GaN沟道表现出-2.3%的大压缩应变。然而，随着QW厚度增加到250 nm，GaN沟道中的压缩应变减少到-0.6%（样品C和D）。

不同应变制度的效果也体现在使用Asylum Research Cypher ES装置的原子力显微镜（AFM）测量的相应表面形态上。样品A和B的AFM扫描（如图2(e)和2(f)所示），揭示了原子台阶和具有亚纳米均方根（rms）粗糙度的平滑表面形态。相比之下，250 nm厚的样品C和D的表面粗糙度较高，这是由于存在小丘和交叉网状的表面形态，表明由于QW的松弛而形成了位错[见图2(g)和2(h)]。

通过使用焊接铟点的范德堡几何结构的霍尔效应测量对温度依赖的电子输运进行了表征。载流子浓度（ns）、迁移率（μ）和片电阻（Rs）——在300和10 K时——在表I和图3中进行了总结。图3中的面板（a）显示了QW厚度对2DEG密度的影响，该密度随t_w单调增加。这是由于阱内内部电场的降低，从而降低了子带能量并使阱的电子种群更大。这一趋势与图3(a)中虚线所示的自洽能带图模拟预期的密度非常吻合。计算使用了表面势垒高度为0.3 eV的自洽薛定谔-泊松求解器。测量的2DEG密度在低温下几乎保持不变，确认了它们的极化诱导起源。增加QW厚度增强了2DEG密度，这一趋势得到了测量和模拟结果的一致支持。模拟趋势假设GaN在AlN缓冲层上的赝晶生长。然而，在GaN QW松弛的情况下，由于AlN势垒中的拉伸应变引入了压电极化，预计2DEG密度会更高。

表I. 通过霍尔效应在300和10 K下测量的样品A-D的2DEG密度（ns）、迁移率（μ）和片电阻（Rs），以及计算得到的内部电场（Favg）。

图 3. (a) 在300和10 K下测量的样品A-D的2DEG密度，以及作为QW厚度（t_w）函数的模拟2DEG密度。(b) 在300和10 K下，样品A-C在不同QW厚度（t_w）下的测量迁移率与2DEG密度之间的关系。(c) 在300和10 K下，样品C-D在不同AlN势垒厚度（t_b）下的测量迁移率与2DEG密度之间的关系。

图3(b)和图3(c)展示了样品A-D在300和10 K下测量的迁移率与2DEG密度的关系。在图3(b)中，对于具有恒定AlN势垒厚度（t_b = 6 nm）的样品A-C，随着QW厚度的增加，2DEG密度和迁移率都增加。这一观察到的趋势归因于阱内内部电场的减小，导致图表中电阻较低角落的显著偏移。值得注意的是，样品C，其t_b/t_w=6/250 nm，表现出3.68 x 10¹³ cm^-2的2DEG密度和823 (1995) cm²/V s的霍尔迁移率，在300 (10) K下，实现了创纪录的低室温片电阻206Ω/sq。通过将AlN势垒厚度减至3 nm，进一步提高了迁移率，如图3(c)中样品C-D的比较所示。这种改进是由于进一步减少了界面粗糙度和声子散射。样品D，其t_b/t_w = 3 nm/250 nm和2DEG密度为2.53 x 10¹³ cm^-2，在300 (10) K下表现出1035 (2419) cm²/V s的霍尔迁移率。

长期以来，人们一直在探讨底部GaN/AlN异质结处的二维空穴气体（2DHG）是否会影响二维电子气体（2DEG）的迁移率。一个潜在的担忧是霍尔效应测量可能会采样到2DEG和2DHG的并行导电。如果并行导电来自两个沟道，分别是具有空穴和电子密度表示为n_s和p_s，以及相应的迁移率μ_p和μ_n，那么在低磁场下测量的表观密度μ_Hall和迁移率μ_Hall可以表示为

其中σ_n= q x n_s x μ_n 和 σ_p = q x p_s x μ_p 是两层的电导率，q 是电子电荷的大小。在低磁场下，电导率主要由迁移率较高的载流子决定。使用上述表达式，从测量的“表观”霍尔迁移率（μ_Hall）中提取出2DEG迁移率（μ_n）。对于这项分析，我们在没有诱导2DEG的AlN顶势垒的2DHG GaN/AlN结构中实验测量了空穴电导率（σ_p）。这个对照样品的示意图，以及其温度依赖的霍尔效应测量结果，展示在补充材料中的图S1。图S2呈现了样品A-D的温度依赖的测量和提取的2DEG密度和迁移率数据。提取的和测量的2DEG密度之间的差异在10%以内，迁移率变化低于5%。此外，随着QW厚度的增加，电导率明显上升，使得在测量2DEG迁移率时忽略2DHG引入的误差更加可以忽略不计。关于2DHG存在的另一个担忧是在狭窄的GaN阱中的电子-空穴散射，导致库仑拖曳。这些载流子拖曳效应之前在调制掺杂的GaAs QW中已经测量到，显示出低温下电子的动量弛豫时间减少。未来，对于我们在这里讨论的AlN/GaN/AlN结构，我们将专注于通过n型补偿掺杂去除移动的空穴，这是一种之前在N极性GaN HEMTs中用于防止2DHG形成的策略。

为了找到限制沟道迁移率的散射机制，我们结合理论传输模型，采用温度依赖的霍尔效应测量，如图4所示。黑色实心圆圈是使用前面描述的并行传导模型提取的电子迁移率。黑线代表根据马蒂森规则计算的总迁移率，包括来自声子（AP）、极化光学声子（POP）和界面粗糙度（IR）散射的贡献。

图4的分析显示，室温下的本征电子迁移率主要由POP散射决定，AP散射的贡献较弱。随着温度的降低，由于声子的冻结，电子迁移率单调增加，达到饱和，表明存在温度独立的IR散射机制。在图4(a)和4(b)中，可以看到所有样品A-D的POP散射几乎相同，所有温度下的主要差异是由于IR散射引起的。

在参考文献43和27中，已经推导出了与氮化物量子阱相关的IR散射率的显式表达式。这种散射机制显示出对内电场（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赖性。电子所经历的加权平均电场通过计算，其中n(z)和F(z)分别是局部电子密度和电场，分别由自洽薛定谔-泊松求解器获得。IR的统计特性由相关长度（Λ）和粗糙度参数（δ）表征。在本研究中，δ被设定为1.25 nm，这是在III族氮化物异质结中广泛使用的值。相比之下，δ被视为一个拟合参数。我们发现δ与实验测量的均方根粗糙度具有相同的数量级，样品A和B的δ约为0.3 nm，样品C和D的δ约为0.4 nm。

图 4. 温度依赖的霍尔效应测量与理论传输模型。黑色实心圆圈是使用并行传导模型提取的电子迁移率。黑线代表根据马蒂森规则计算的总迁移率，包括来自AP散射（橙色线）、POP散射（蓝线）和IR散射（绿线）的贡献。(a) 在恒定t_b