行业 | 康奈尔大学在AlN单晶衬底上实现创纪录的低片电阻及高迁移率XHEMT异质结

原文标题
High conductivity coherently strained quantum well XHEMT heterostructures on AlN substrates with delta doping

原文作者
Yu-Hsin Chen and Chandrashekhar Savant, department of Materials Science and Engineering, Cornell University. Jimy Encomendero and Vladimir Protasenko, school of Electrical and Computer Engineering, Cornell University. Huili (Grace) Xing and Debdeep Jena, Kavli Institute at Cornell for Nanoscale Science, Cornell University.

原文链接
https://doi.org/10.1063/5.0228253  Appl. Phys. Lett. 125, 142110 (2024)

项目支持方
美国陆军研究办公室（ARO）、美国能源部（DOE）科学办公室基础能源科学（BES）、康奈尔材料研究中心（CCMR）及康奈尔大学Kavli研究所（KIC）。

摘要

在超宽带隙AlN衬底上的AlN/GaN/AlN量子阱高电子迁移率晶体管中，由极化诱导的二维电子气（2DEGs）为推进氮化物半导体在微波和功率电子领域的应用开辟了充满希望的道路。然而，嵌入在AlN中的薄GaN量子阱中的电子迁移率受到高内部电场和不希望的极化诱导的二维空穴气（2DHGs）的限制。为了增强这些异质结在AlN上的电子迁移率，先前的研究已经采用了带有位错的、较厚且松弛的GaN沟道。在这项工作中，我们引入了n型补偿δ掺杂到一个相干应变的AlN单晶衬底AlN/GaN/AlN异质结中，以抵消GaN/AlN界面处的2DHG形成，并同时降低量子阱中的内部电场。由此产生的δ掺杂XHEMT异质结，不仅拥有高达约3.2 x 10¹³ cm^-2的2DEG密度，还实现了室温（RT）下约855 cm²/Vs的迁移率，更在AlN平台的相干应变AlN/GaN/AlN HEMT异质结中创下了迄今最低的室温片电阻纪录——226.7 Ω/□。

超宽禁带AlN基量子阱（QW）高电子迁移率晶体管（HEMTs）为高功率和高频放大器打造了一个充满潜力的新平台。其独特结构由一层薄的、相干且处于压缩应变的GaN QW构成，它被夹在未应变的顶部AlN势垒与厚实的、未应变外延AlN缓冲层之间。得益于AlN缓冲层出色的高热导率，有效提升了散热效率；同时，其超宽的能带隙赋予了电绝缘特性，从而消除了对缓冲层进行补偿掺杂的要求。此外，这种宽带隙还提高了器件中的击穿电场。AlN和GaN之间的强极化不连续性诱导了二维电子气（2DEG），而AlN和GaN之间的大导带偏移将2DEG牢牢束缚在量子阱中。虽然此类AlN/GaN/AlN异质结可以在SiC、Si或蓝宝石衬底上实现，但由于位错密度减少了约百万倍，以及与衬底的热边界电阻几乎完全消除，因此在AlN单晶衬底上的HEMTs或XHEMTs能够展现出最为卓越的器件性能。

尽管AlN/GaN/AlN异质结中的二维电子气（2DEG）表现出了相当不错的密度，即n_s约为2-3 x 10¹³ cm^-2，但它们表现出的室温（RT）电子迁移率μ约为600 cm²/Vs，并且片电阻R_s约为400–500 Ω/□，这与传统的AlGaN/GaN HEMT在松弛GaN层上的表现相当（μ约为1500 cm²/Vs，n_s约为10¹³ cm^-2，R_s约为400 Ω/□）。AlN/GaN/AlN异质结中的电子迁移率目前受到两个因素的限制：（1）量子阱中强烈的内电场，以及（2）与2DEG在同一量子阱中共存的极化诱导的二维空穴气（2DHG），由AlN和GaN在2DEG界面处的价带偏移限制。这种2DHG可以通过并行传导降低测量的表观2DEG迁移率。在窄量子阱中，双层的近距离接触可能导致库仑拖曳，进一步降低电子迁移率。对于n沟道晶体管运行，价带中的空电子态（也就是2DHG中的空穴）能够捕获来自沟道的电子并缓慢释放它们，导致交流电流低于直流电流，从而降低晶体管性能。

在最近对AlN单晶衬底上的AlN/GaN/AlN异质结时研究中，通过加厚GaN量子阱（QW）至其松弛状态来减小垂直电场，成功让室温（RT）电子迁移率突破了1000 cm²/Vs。不过，这种做法有个弊端，就是在GaN沟道里引入了位错。在这项工作中，我们提出了一种新颖的XHEMT设计，它在相干应变的QW中采用了n型补偿δ掺杂。这种δ掺杂去除了QW里由极化引起的二维电子气（2DHG），并且减轻了阱内的电场强度。这个思路类似在GaN衬底上的N极性GaN HEMTs中用n型掺杂，它消除了不希望的2DHGs和带正电的施主陷阱。这些陷阱状态被指责为引起HEMTs中的色散和异常输出电导，以及降低发光二极管的量子效率。

为了防止这些效应，关键在于设计一种异质结，使得价带边缘E_v足够低于费米能级E_F，这样可以消除二维电子气（2DEG）的形成，并确保陷阱态始终处于填满状态。我们在Al极性AlN单晶衬底上外延生长了未掺杂的QW HEMT和δ掺杂的XHEMT异质结，具体如图1(a)和1(b)所展示。为了突出δ掺杂的影响，两种样品的每一层厚度都保持一致。我们首先采用自洽的SchrÖdinger–Poisson求解器，计算了这两种结构的能带图和载流子密度，其中表面势垒高度设定为0.5 eV，并忽略了缺陷和陷阱的影响。如图1(c)所示，未掺杂QW HEMT结构的能带图揭示了20 nm GaN QW中存在的高极化诱导电场。而图1(e)则显示，在距离表面约7 nm的顶部AlN/GaN异质结处，净正极化面电荷诱导出一个移动的二维电子气（2DEG），其密度为n_s =2.23 x 10¹³ cm^-2；在距离表面约27 nm的底部GaN/AlN异质结处，净负极化面电荷则诱导出一个移动的二维空穴气（2DHG），其密度为p_s = 3.91 x 10¹³ cm^-2。

图 1. (a) 外延生长非掺杂AlN/GaN/AlN量子阱HEMT异质结的示意图。(b) δ掺杂的AlN/GaN/AlN XHEMT）异质结包含一层n型施主σ_δ。(c)和(d)分别为非掺杂量子阱HEMT和δ掺杂的XHEMT异质结模拟能带图。引入施主密度为σ_δ = 5 x 10¹³ cm^-2的δ掺杂，使得价带E_v相对于费米能级E_F下移。(e)和(f)分别为非掺杂量子阱HEMT和δ掺杂XHEMT的模拟载流子密度分布图。高密度二维电子气（2DEG）被限制在顶部AlN/GaN界面约7 nm以下。n型掺杂消除了在GaN/AlN界面约27 nm处二维空穴气（2DHG）的存在。图(e)和(f)中的插图分别展示了非掺杂量子阱HEMT和δ掺杂的XHEMT异质结中电子子带能量及电子平方幅度波函数。

图1(d)展示了本研究中所引入δ掺杂的XHEMT结构的计算能带图。我们在GaN量子阱中施加了一个δ掺杂层，位于距离GaN/AlN缓冲界面1 nm、表面下方约26 nm的位置。引入施主密度为σ_δ = 4 x 10¹³ cm^-2的δ掺杂并未能完全消除二维空穴气体（2DHG）。将掺杂浓度提升至σ_δ = 5 x 10¹³ cm^-2，使得价带顶E_v完全低于费米能级E_F，并确保E_F保持在能隙内。然而，进一步增加掺杂浓度至σ_δ = 6 x 10¹³ cm^-2会导致不希望出现的第二个电子通道的形成，并且在δ掺杂层处E_F > E_c。基于这些计算结果，我们制备了一系列不同σ_δ的样品。二维电子气体（2DEG）密度随掺杂浓度的增加而上升。在较低的δ掺杂浓度下，电子迁移率保持相对稳定。施主密度为σ_δ =  5 x 10¹³ cm^-2的样品展现出最低的片电阻和最高的电子迁移率。相较之下，掺杂浓度较高的样品则表现出电子迁移率的降低，这可能是由量子阱中的并行电导所引起。在本研究的后续部分，我们将探讨最佳δ掺杂XHEMT（σ_δ = 5 x 10¹³ cm^-2）的结构特征与电子输运特性，并将其与未掺杂量子阱HEMT（σ_δ = 0）进行对比分析，更深入的系列研究留待后续工作。

图1(d)和1(f)显示，σ_δ =  5 x 10¹³ cm^-2消除了2DHG，降低了量子阱(QW)内的内电场，并将Ev移动到比图1(c)中未掺杂结构低得多的E_F以下，其中E_F在表面下方约27 nm处小于E_v。降低的内部电场使2DEG的质心从界面移开，位于表面下方约7 nm处。这预计会减少界面粗糙度(IR)散射并提高电子迁移率。霍尔效应测量显示，δ掺杂的XHEMT表现出2DEG密度n_s =3.24 x 10¹³ cm^-2和室温(RT)电子迁移率μ= 854.6 cm² /Vs，从而得到室温片电阻R_s = 226.7 Ω/□。相比之下，未掺杂的QW HEMT实验表现出更高的室温 R_s = 501.9 Ω/□，n_s = 2.04 x 10¹³ cm^-2和室温 μ = 611.1 cm² /Vs。与未掺杂的QW HEMT结构相比，XHEMT实现了>2倍的片电阻降低。

我们采用了Veeco GEN10型分子束外延（MBE）系统，该系统配备了氮气射频（RF）等离子体源以及标准铝（Al）、镓（Ga）和硅（Si）蒸发坩埚，用以生长如图1(a)及1(b)所展示的AlN/GaN/AlN异质结。这些异质结是在Crystal IS提供的位错密度低于10⁴ cm^-2的AlN单晶衬底上外延生长的。在进行外延生长前，这些AlN单晶衬底依照我们先前的研究经过了彻底的清洁处理。首先，在溶剂和酸溶液中进行离线清洗，随后将切割后的AlN衬底装载至MBE系统中，在200°C条件下脱气处理7小时，并执行原位铝辅助的表面清洁工序，该工序涉及铝的多次吸附与解吸循环，旨在移除固有的表面氧化层，以便实现高品质的同质外延生长。

清洗流程结束后，我们在富金属氛围及热电偶温度T_c=1060℃条件下，生长了500 nm的同质外延AlN缓冲层，以确保实现阶梯状生长模式并保持高晶体完整性。紧接着，原位热解吸去除多余的铝液滴。随后，在持续富金属氛围且无生长停顿的前提下，连续生长了包括20 nm GaN量子阱（QW）、6 nm AlN势垒及1 nm GaN盖层的活性区。此过程在射频等离子体功率200 W、N₂气体流量0.35 sccm的条件下进行，对应生长速率为0.2 μm/h。对于未掺杂QW HEMT，活性区衬底温度控制在热电偶温度T_c=850℃。而对于掺杂XHEMT，调整为T_c=820℃以确保掺杂过程中表面出现Ga液滴。硅掺杂在沉积1 nm GaN之后实施。利用单独的MBE生长的硅掺杂GaN样品，通过设定硅池温度为1195℃，校准了掺杂条件，得到3D掺杂密度为1.23×10¹⁹ cm^-3。在进行δ掺杂时，关闭Ga和N挡板，仅开启N₂等离子体和硅挡板，持续所需时间以达到σ_δ = 5 x 10¹³ cm^-2的掺杂浓度。通过Evans Analytical Group使用二次离子质谱（SIMS）技术，独立验证了另一样品中硅掺杂水平为σ_δ = 5.5 x 10¹³ cm^-2。掺杂完成后，立即开启Ga和N挡板，继续生长剩余的19 nm GaN QW及其他层。外延生长结束后，衬底迅速冷却至室温，并在离线条件下利用HCl去除多余的Ga液滴。

我们采用配备Cu K_α1射线源（波长1.54Å）的Panalytical Empyrean VR高分辨率X射线衍射（HRXRD）系统对异质结的结晶质量进行了评估。如图2(a)所示，实线代表两个样品在（002）对称反射附近的实测衍射图案，而虚线红线则为基于动态衍射理论模型计算所得的理论衍射图案。清晰分辨的干涉条纹表明了异质界面的锐利性。通过对实测与理论衍射图案的高度吻合度分析，我们精确地提取了各层的厚度信息，展示了对层厚控制的精准性。未掺杂与δ掺杂样品均采用如下结构：1 nm GaN顶层/6 nm AlN势垒层/20 nm GaN沟道层/500 nm AlN缓冲层，这些结构均生长在AlN单晶衬底之上。图2(b)与2(c)展示了围绕（-105）非对称衍射的倒易空间图（RSMs），揭示了两个异质结中GaN层的相干应变状态。这表明硅掺杂对薄膜应变无显著结晶影响。预计该异质结的位错密度与衬底相当，因为应变的GaN量子阱层并未引入新位错。此外，我们采用Asylum Research Cypher ES系统配合原子力显微镜（AFM）对样品表面形貌进行了详尽表征。图2(d)与2(e)展示了清晰的原子台阶，证实了样品采用阶梯流生长模式。同时，亚纳米级的均方根（rms）粗糙度数据进一步证明了样品表面的光滑性。

我们采用范德堡几何构型（Van der Pauw geometry）进行了温度依赖的霍尔效应测量，使用焊接铟点作为欧姆接触。载流子浓度n_s、迁移率μ以及在290 K和10 K下的片电阻R_s在表I中进行了归纳，并在图3中展示。图3(a)显示，未掺杂和δ掺杂样品的二维电子气（2DEG）面密度在低温下保持恒定，证实了其源于极化效应。硅δ掺杂使得2DEG密度从未掺杂样品的2.04 x 10¹³ cm^-2增加至XHEMT中的3.24 x 10¹³ cm^-2，这是调制掺杂效应的结果。施主提供的电子最终分布在三个位置：（1）补偿二维空穴气体（2DHG）及底部GaN/AlN界面约27 nm深度附近的陷阱。（2）大部分剩余电子最终位于顶部AlN/GaN界面约7 nm深度的量子阱（QW）中，在此处它们受到限制并贡献导电率。因此，阱内电场降低，导致能带平坦化及子带能量降低。（3）少部分施主电子可能最终到达表面，以协助系统达到热平衡。

图 2. （a）针对未掺杂量子阱HEMT和δ掺杂XHEMT，展示了实际测量（实线）与模拟计算（虚线）所得的Ω/2ΘX射线衍射扫描，涵盖了对称（002）反射区域，从而验证了既定厚度和清晰界面。（b）和（c）分别呈现了未掺杂量子阱HEMT和δ掺杂XHEMT在非对称（-105）反射区域的X射线倒易空间图（RSMs）。硅的δ掺杂并未对薄膜的应变状态产生可测量的结构效应。（d）和（e）分别为原位生长的未掺杂量子阱HEMT和δ掺杂XHEMT的10×10 μm²和2×2 μm²原子力显微镜（AFM）扫描图像，揭示了原子级台阶和光滑的表面形貌。

表 I. 分别列出了通过霍尔效应测量在290 K和10 K下测得的未掺杂量子阱HEMT和δ掺杂XHEMT结构的二维电子气（2DEG）密度（n_s）、迁移率（μ）和片电阻（R_s），以及计算得出的平均电场（F_avg）。

在图1(e)的插图中，未掺杂结构的计算能带图与电子子带能量显示单一子带占据情况，其基态能量E₁处于费米能级E_F下方0.266 eV。相较而言，δ掺杂的XHEMT在图1(f)的插图中呈现两个子带占据的情形。第二子带最小值E₂仅位于E_F下方0.056 eV，相对较为浅显。在此AlN/GaN异质结中，大部分电子同样占据第一子带，其最小值E₁处于E_F下方0.33 eV。两个异质结的实验测量二维电子气（2DEG）密度与自洽薛定谔-泊松求解器计算得出的密度相接近，该求解器设定的表面势垒高度为0.5 eV。

图 3. （a）二维电子气（2DEG）密度、（b）电子迁移率以及（c）片电阻随温度的变化情况，分别对应未掺杂量子阱HEMT（黑色圆圈）和δ掺杂XHEMT（蓝色圆圈）。δ掺杂XHEMT显示出更高的2DEG密度和电子迁移率，因此片电阻显著下降。图（b）中还包含了一个理论传输模型。虚线代表未掺杂量子阱HEMT受散射限制的迁移率，实线代表δ掺杂XHEMT的迁移率。黑线是根据Matthiessen定律算出的总迁移率（μ_Total），融合了三种散射机制的作用：声学声子散射（μ_AP，橙色线）、极性光学声子散射（μ_POP，蓝色线）以及界面粗糙度散射（μ_IR，绿色线）。

图 3(b)表明，由于声子冻结效应，两个样品测得的迁移率随温度下降而单调递增。在低温条件下，迁移率由于与温度无关的界面粗糙度（IR）散射而趋于饱和。室温（RT）迁移率从未掺杂量子阱HEMT的611.1 cm²/Vs提升至δ掺杂XHEMT的854.6 cm²/Vs。在10 K时，迁移率从未掺杂量子阱HEMT的1211.5 cm²/Vs攀升至δ掺杂XHEMT的2240.2 cm²/Vs。鉴于2DEG密度与迁移率的提升，δ掺杂XHEMT实现了片电阻降低超过2倍，从而致使室温片电阻达到226.7 Ω/□，如图3(c)所展示。

在早期的工作中，我们确定了界面粗糙度（IR）散射是未掺杂AlN/GaN/AlN异质结中主要的迁移率限制因素。在图3(b)中，可以看到由声学（AC）和极性光学声子（POP）限定的迁移率线对于有无δ掺杂的样品而言是相似的。所有温度下的主要差异归因于使用相同的相关长度Λ = 1.25 nm的IR散射，以及界面粗糙度参数Δ = 0.27 nm用于未掺杂的量子阱HEMT，和Δ = 0.36 nm用于δ掺杂的XHEMT。这些界面粗糙度参数与实验测量的均方根表明粗糙度处于同一数量级。IR散射率强烈依赖于内部电场（F_avg）和屏蔽因子。电子波函数位置的平均电场是,其中n(z)和F(z)分别是局部电子密度和电场。δ掺杂的引入使F_avg从在未掺杂的量子阱HEMT中的3.80 MV/cm降低了25%，至在δ掺杂XHEMT中的2.84 MV/cm。降低的F_avg将2DEG质心从界面移开。此外，δ掺杂XHEMT中增加的2DEG密度增强了对散射势的屏蔽。这些综合效应减少了IR散射并提高了沟道迁移率。特别值得注意的是，在δ掺杂的XHEMT中观察到的低温电子迁移率几乎翻倍，这归因于IR散射的减少。消除2DHG去除了潜在的拖曳效应和并行传导。

图 4. 对 δ 掺杂 XHEMT 与先前所报道的相干应变 AlN/GaN/AlN 异质结在室温（RT）条件下的二维电子气（2DEG）密度及迁移率进行了基准对比，其中 GaN 量子阱（QW）的厚度从 14 nm 至 20 nm 不等。

图4将本工作中引入的δ掺杂XHEMT的2DEG密度和室温（RT）迁移率与之前报道的相干应变AlN/GaN/AlN异质结进行了对比。未掺杂异质结的室温迁移率受限于620 cm²/Vs，如图4中的黑色三角形所示。为了突破这一限制，最初通过松弛GaN沟道来实现性能提升，得到的室温电子迁移率大于1000 cm²/Vs，室温片电阻小于300 Ω/□，如补充材料中的图S1中的灰色圆圈所示。但是，已经显示出位错形成的应变缓解会导致HEMTs中色散加剧及更高的栅极漏电流。此外，GaN中的高位错密度增强了声子-位错散射，从而降低了其热导率。在本研究中，δ掺杂XHEMT在所有迄今为止报道的相干应变AlN/GaN/AlN异质结中实现了最高的室温迁移率854.6 cm²/Vs和最低的室温片电阻226.7 Ω/□，并且无需松弛GaN沟道，同时在整个异质结中维持了单晶特性。为了在未来的异质结设计中进一步提高电子迁移率，应在 δ 掺杂 XHEMT 的基础上展开拓展。可能的方法包括降低量子阱内二维电子气密度及内部电场，这可通过采用相干应变的 AlGaN势垒替换AlN势垒来实现。

总之，硅δ掺杂在不松弛GaN沟道且不形成位错的情况下，显著提高了AlN/GaN/AlN HEMT异质结中二维电子气（2DEG）的密度和迁移率。δ掺杂的XHEMT具有相干应变的GaN量子阱（QW）层，生长在AlN单晶衬底上。δ掺杂补偿了二维空穴气体（2DHG），并降低了阱内的内部电场。这导致了高达3.24 x 10¹³ cm^-2的2DEG密度和854.6 cm² /Vs的室温（RT）迁移率，从而得到226.7 Ω/□的室温片电阻。在相干、未松弛的AlN/GaN/AlN HEMT异质结中，最高的室温迁移率和最低的片电阻，使其在AlN平台上用于射频和功率电子器件方面极为有效。通过在AlN单晶衬底上的XHEMTs中采用δ掺杂所实现的沟道传输大量优势，也可以应用于SiC、蓝宝石或Si衬底上具有应变GaN QW沟道的AlN/GaN/AlN HEMTs器件。