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1、二维电子性能与器件 Ⅲ族氮化物异质结构中二维电子气电子科学与技术201330101192费明祥摘 要: 本文总结了近年来Ⅲ族氮化物半导体异质结构二维电子气的研究进展。从Ⅲ族氮化物材料晶格结构和特有的极化性质出发,重点讨论AlGaN/GaN异质结构中二维电子气的性质,总结分析了异质结构中Al组分、势垒层厚度、应变弛豫度、掺杂等对二维电子气浓度和迁移率的影响,同时还涉及AlGaN/GaN/AlGaN,AlGaN/AlN/GaN和AlGaN/InGaN/GaN等异质结构二维电子性质。引言半导体异质结构是实现半导体低维体系的
2、基本手段,也是高速微电子、量子光电子器件的基本结构。自上世纪70年代以来,随着半导体异质结构材料的不断发展,半导体低维物理研究的不断深化,半导体器件不断推陈出新,半导体科学技术得到迅猛发展,大大推动了当代信息技术、信息产业的发展。近年来,Ⅲ族氮化物GaN,AlN和InN这类新一代半导体材料的崛起,使Ⅲ族氮化物异质结构受到人们广泛重视,并成为当前材料学科和微结构器件领域的研发热点[1]。Ⅲ族氮化物与传统的半导体不同,是一种带隙宽并具有强压电、铁电性的半导体材料。它可形成从InN的0.7eV,GaN的3.4eV直到AIN的6.2e
3、V带隙连续可调的三元或四元固溶体合金体系(如AlGaN,InGaN,AlGaInN),相对应的直接带隙波长覆盖了从红外到紫外的宽波长范围,是发展新一代半导体光电器件的重要材料,在发光二极管(LED),激发器(LD)和大屏幕全色显示及固态白光照明方面具有极其重要的应用。同时,基于Ⅲ族氮化物具有的宽带隙、高饱和电子漂移速率(比GaAs高1.5倍),高击穿场强和高热导率(比GaAs高3倍)等优越电子性能,又是当今发展高频、高功率、高温微电子器件的优选材料。特别是纤锌矿结构Ⅲ族氮化物的六方晶体结构缺少反演对称性,呈现很强的极化效应,包
4、括自发极化和压电极化,压电系数比其它Ⅲ2Ⅴ族、Ⅱ2Ⅵ族半导体材料大1个数量级以上,自发极化强度也很大,如AlN的自发极化只比典型的钙钛矿结构铁电体小3～5倍。而且,由于Ⅲ族氮化物材料能隙相差悬殊(从InN的0.7eV到AlN的6.2eV),异质结构界面导带存在巨大能带偏移(ΔEc),可形成深量子阱。基于强极化诱导作用和巨大能带偏移,Ⅲ族氮化物异质结构界面可形成一强量子局域化的高浓度二维电子气系统,成为至今能提供最高二维电子气浓度的半导体材料体系。如典型的AlGaN/GaN异质结构,其AlGaN势垒层中压电极化强度为传统AlGa
5、As/GaAs异质结构中的5倍之多,感生的压电场强达2MV/cm,如此强的极化效应以及AlGaN/GaN界面大的导带偏移,在GaN层形成一个很深的量子阱,即使不掺杂,也可感生高达～1013cm-2浓度的二维电子气[2～4]。因此,Ⅲ族氮化物异质结构不仅有丰富的物理内涵,是研究低维量子输运的理想体系,而且具有极其重要的技术应用价值,利于发展高性能二维电子气电子器件。AlGaN/GaN体系作为一典型的GaN基异质结构,在微波功率和高温电子器件领域中具有极为重要的应用价值,并在军事领域应用中崭露头角。目前GaN基高电子迁移率晶体管(
6、HEMT),在8GHz下,最高输出功率密度可达30W/mm[5]。 本文从Ⅲ族氮化物特有的强极化性质出发,基于极化能带工程设计,讨论分析了几种GaN基异质结构中二维电子气的性质,重点对AlGaN/GaN异质结构中的二维电子气性质进行总结分析。主要包括以下3个方面:首先说明极化诱导二维电子气的形成,然后讨论AlGaN/GaN异质结构中Al组分、势垒层厚度、应变弛豫度、掺杂等对二维电子气性质的影响,并对目前研究较多的其它GaN基异质结构,如AlGaN/GaN/AlGaN,AlN/GaN,AlGaN/AlN/GaN等异质结构以及A
7、lGaN/InGaN/GaN异质结构中二维电子气进行讨论,最后探讨GaN基Ⅲ族氮化物异质结构的发展趋势及前景。1.1 Ⅲ族氮化物的晶格结构Ⅲ族氮化物GaN、AlN和InN具有稳定的纤锌矿(六方)和亚稳的闪锌矿(立方)两种结构,两者的主要差别在于原子层的堆积次序不同,因而电学性质也有显著差别[6]。闪锌矿结构氮化物在生长过程中不稳定,且不具有由晶格结构非理想性引起的自发极化性质,并且在目前普遍采用的蓝宝石衬底上生长的Ⅲ族氮化物即为纤锌矿结构,因此有关Ⅲ族氮化物异质结构的生长及研究大多基于该结构。如图1为纤锌矿GaN的晶格结构示意
8、图,纤锌矿结构属于六方晶系非中心对称C6v点群,呈现[0001]与[0001]两种相反的原子层排列方向,分别对应于Ga面极化与N面极化,这种极性在GaN薄膜的异质外延生长过程中不能预知,必须由实验来确定。实验表明[7],用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)方法生长的GaN通
