譯自原文
Epitaxial growth of a high-quality GaN/AlN heterostructure for the development of an AlN-back barrier high-electron-mobility-transistor
原文作者
Sitong Chen,ab Qiushuang Chen,b Fang Ye,b Ge Gao,ab Li Chen, bc Jie Lin, b Meng Cao,a Jichun Ye *bc and Wei Guo *bc
aDepartment of Electronic Information Materials, School of Materials Science and Engineering, Shanghai University,
bNingbo Institute of Materials Technology and Engineering, Chinese Academy of Sciences, Ningbo
c Yongjiang Laboratory, Ningbo
原文鏈接
https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2025/CE/D5CE00205B
項目支持方
國家自然科學基金、固態微波器件與電路國家重點實驗室和寧波市重點研發計劃
AlN背勢壘高電子遷移率晶體管（HEMTs）通過在AlN背勢壘上生長超薄GaN溝道層，在高壓、高頻應用中展現出巨大潛力。然而，由于GaN與AlN之間存在晶格失配和熱失配，需對薄GaN溝道層的生長模式進行精確調控。本研究采用低溫（LT）和高溫（HT）兩步生長法調控GaN溝道層，通過優化V/III比、生長壓力及GaN厚度，在晶體質量與表面形貌之間實現平衡。 實驗結果表明，對于厚度小于600 nm的薄GaN溝道層，其（002）和（102）XRD搖擺曲線半高寬分別低至180 arcsec和309 arcsec。透射電子顯微鏡（TEM）分析顯示，GaN位錯密度顯著降低，且GaN/AlN界面陡峭。進一步建立了GaN溝道層厚度與AlN背勢壘HEMT電學性能的關聯規律。 器件測試結果顯示，載流子濃度達1.12 × 10¹³ cm?²，霍爾遷移率為1880 cm²·V?¹·s?¹，方阻為297.3 Ω/sq，為高性能HEMT器件的研制提供了重要實驗依據。
引言
GaN高電子遷移率晶體管（HEMTs）因其卓越的高頻性能、高功率處理能力以及優異的極端環境耐受性，在5G通信、電動汽車及國家安全等功率和射頻電子系統中發揮著日益重要的作用。然而，傳統采用C摻雜或Fe摻雜GaN緩沖層的GaN HEMTs仍面臨諸多挑戰，包括高背景電子濃度、嚴重的緩沖層漏電流以及高頻工作時的陷阱效應，這些問題嚴重限制了器件性能的進一步提升。采用超寬禁帶半導體AlN替代GaN緩沖層是一種極具前景的解決方案。由于AlN具有6.2 eV的超大禁帶寬度及無需刻意摻雜即可實現絕緣的特性，AlN背勢壘HEMTs相比傳統GaN緩沖HEMTs可顯著降低陷阱效應。此外，GaN溝道與AlN緩沖層之間的大禁帶偏移能增強二維電子氣（2DEG）的局域化效應，使其成為高壓、高功率應用的理想候選器件。
目前，國際上多個研究團隊已成功研制出基于AlN背勢壘結構的高電子遷移率晶體管（HEMTs），并將其應用于高功率射頻信號放大和高壓開關領域。得益于GaN/AlN異質結構的大禁帶寬度差（band offset），研究者進一步開發了p溝道HFET器件，拓展了該材料體系的應用場景。Hickman與Ozaki等學者分別報道了在SiC和AlN單晶襯底上生長的AlN背勢壘HEMT，實驗結果表明，這些器件具有優異的結晶質量和電學性能。然而，SiC和AlN襯底的高昂成本嚴重限制了此類器件的大規模產業化應用。在襯底選擇方面，硅襯底雖然具有顯著的成本優勢，但由于其與AlN緩沖層之間存在較大的熱膨脹失配，會導致穿透位錯（threading dislocations）向GaN溝道層延伸，從而影響器件性能。相比之下，藍寶石襯底因其大尺寸、優異的化學穩定性以及與AlN模板較小的晶格失配度，成為更具潛力的候選襯底，值得進一步深入研究。在外延生長技術方面，金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）和分子束外延（MBE）是目前最主要的兩種制備技術。MBE生長需要在超高真空環境下進行，且沉積速率較慢，導致GaN/AlN異質結構的外延生長過程對應變條件極為敏感，工藝窗口較窄。相比之下，盡管MOCVD技術在AlN襯底上生長超薄GaN溝道層具有重要應用價值，但如何精確調控生長參數以實現高質量器件結構仍未得到系統研究，這一技術難題亟待解決。
然而，受限于GaN與AlN之間的晶格失配與熱失配，GaN的晶體質量出現嚴重劣化，具體表現為高密度穿透位錯的形成。這些穿透位錯在電子器件中會形成漏電通道，不僅顯著降低器件的擊穿電壓，還會進一步影響電子遷移率，最終導致整體器件性能的衰退。Fang研究團隊報道了一種采用1.2 μm厚AlN背勢壘的HEMT結構，在此結構中成功實現了2.07×10? V/cm的高擊穿場強與2.21×10?? Å·mm?¹的低漏電流特性，這些優異性能為提升HEMT器件的射頻特性提供了重要支撐。但需指出的是，該研究未對生長模式與器件性能間的關聯機制展開深入探討。Choi團隊針對AlN背勢壘晶體質量對AlGaN/GaN/AlN雙異質結HEMT性能的影響展開研究，結果表明：位錯密度的增加不僅會降低GaN溝道質量，還會加劇界面粗糙程度，并顯著削弱二維電子氣（2DEG）的遷移率。這一發現揭示了系統探究不同生長條件下GaN溝道內應變分布與缺陷演化規律，對功率器件未來的性能優化具有關鍵意義。此外，Chen團隊在SiC襯底上成功制備出高質量的AlGaN/GaN/AlN異質結構，明確了AlN緩沖層厚度、三甲基鎵（TMG）流量與GaN生長動力學之間的強相關性，但針對高應變GaN/AlN異質結界面特性的研究仍存在明顯不足?；谏鲜鲅芯勘尘?，開發高質量GaN/AlN異質結構已成為推動AlN背勢壘HEMT技術發展的核心課題。本研究聚焦于厚AlN模板上超薄GaN溝道層的生長模式，創新性地采用金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）兩步生長技術，系統考察了生長參數（包括溫度、壓力及V/III比等）對AlN襯底上GaN晶體質量與表面形貌的調控機制。本研究成果不僅深化了對GaN/AlN異質結中斷裂位錯湮滅行為與應變分布調控機理的理解，更為高頻、高功率HEMT器件的可控制備與工程化應用提供了重要的理論支撐與實驗依據。
實驗方法
在GaN溝道層外延生長前，采用金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）技術在c面藍寶石襯底上制備了作為緩沖層的厚AlN模板。通過交替進行低溫（1050℃）與高溫（1300℃）兩步生長工藝，實現位錯湮滅與表面平坦化，最終獲得厚度為2 μm的AlN緩沖層。生長過程中采用氮氣（N?）和氫氣（H?）作為載流氣體，三甲基鎵（TMGa）、三甲基鋁（TMAl）和氨氣（NH?）分別作為Ga源、Al源和N源。隨后，在AlN緩沖層上直接生長GaN溝道層（未引入任何過渡層）。GaN外延生長采用兩步法工藝：首先在970℃下進行三維島狀成核生長（V/III摩爾比為530），隨后在1050℃下進行二維合并生長（V/III摩爾比為1600）。其中，三維成核階段分別在400 mbar、500 mbar和600 mbar三種腔室壓力條件下進行對比實驗，二維合并階段則固定腔室壓力為150 mbar。針對GaN與AlN之間顯著的晶格失配與熱失配問題，本研究系統考察了不同GaN生長參數對表面形貌與晶體質量的調控作用。最終制備了完整結構的HEMT外延層，并系統研究了GaN溝道層厚度變化對HEMT生長模式及電學特性的影響規律。器件結構示意圖如圖1(a)所示，GaN緩沖層與AlN緩沖層HEMT的能帶結構對比見圖1(b)。結果表明：采用AlN替代GaN作為緩沖層可使導帶底顯著上移，從而增強二維電子氣（2DEG）的量子限制效應。
采用光學顯微鏡（RX50 M）與原子力顯微鏡（AFM，Veeco Dimension 3100）對薄膜表面形貌進行高分辨表征。通過掃描電子顯微鏡（SEM，HITACHI S-4800）系統分析生長模式演化，重點考察不同生長狀態下晶粒取向動態演變規律與晶粒合并動力學行為。利用布魯克D8 DISCOVER高分辨X射線衍射儀（XRD）進行θ-2θ掃描與搖擺曲線測試，結合Scherrer公式定量評估外延層位錯密度。采用透射電子顯微鏡（Talos F200x）對GaN/AlN異質結界面及多層膜內部缺陷進行亞納米級表征。截面樣品制備采用Helios-G4-CX雙束聚焦離子束（FIB）系統完成，結合離子減薄技術獲得高平整度觀測面。薄膜厚度測量通過UVISEL橢偏儀在632.8 nm波長下進行光學干涉分析。電學性能表征方面，采用LEI-1600非接觸式霍爾測試儀在室溫條件下測量載流子濃度、遷移率及方阻等關鍵參數，測試精度達到±1%。
結果與討論
在GaN外延生長過程中，本研究采用了一種兩步生長策略，具體包括：
-
三維（3D）缺陷湮滅階段——通過該階段有效降低位錯密度與缺陷數量；
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二維（2D）表面平坦化階段——實現外延層表面的原子級平整化。
盡管該兩步生長策略已在厚GaN外延生長領域（如藍寶石或硅襯底）獲得廣泛應用，但目前鮮有研究將其應用于AlN模板上超薄GaN溝道層的構建。需特別指出的是，直接在AlN襯底上生長GaN會導致約10%的顯著晶格失配，并引發界面處壓應力的產生。因此，必須通過精確調控生長參數以有效抑制GaN/AlN界面處的應變積累。
圖1(a) 采用AlN背勢壘的HEMT外延層結構示意圖；(b) 分別以GaN或AlN作為背勢壘的HEMT能帶結構示意圖。
作為III族氮化物薄膜外延生長的核心動力學參數，腔室壓力對晶體生長模式具有決定性影響。本研究通過系統調控生長壓力（400 mbar、500 mbar、600 mbar），深入解析了AlN模板上GaN溝道層的表面形貌演化規律與晶體質量提升機制。高分辨原子力顯微鏡（AFM）表征結果（圖2(a)-(d)）顯示：在高壓生長條件（600 mbar）下，GaN表面呈現顯著的微觀粗糙化特征，其形貌表現為大量微米尺度的圓形或六邊形丘狀結構（hillocks），該現象源于高壓環境下表面過飽和度急劇升高，促使VLS（氣-液-固）三維成核機制占據主導地位，從而形成典型的三維島狀生長模式；與之形成鮮明對比的是，低壓生長條件（400 mbar）下GaN表面展現出原子級平整的臺階流特征，可清晰識別出具有規則排列的雙層臺階（bi-layer steps）結構及局域臺階聚集（step-bunching）現象，證實此時生長模式已轉變為二維逐層外延機制。進一步研究發現，隨著腔室壓力從600 mbar梯度降低至400 mbar，表面原子擴散長度呈現指數級增長，這一微觀動力學變化直接導致三維島狀結構間的融合效率顯著提升，界面缺陷密度大幅降低，同時促使GaN/AlN界面形成陡峭的原子級平整結構。這種界面結構的優化不僅有效抑制了載流子散射中心的形成，更通過降低界面粗糙度散射效應，實現了二維電子氣（2DEG）遷移率的顯著提升。晶體質量表征方面，基于高分辨X射線衍射（HR-XRD）搖擺曲線測試結果（圖2(e)-(f)），以(002)和(102)晶面衍射峰的半高寬（FWHM）作為晶體完整性評價指標，結果顯示低壓生長樣品（400 mbar）的(002)和(102)峰FWHM分別達到230 arcsec和329 arcsec，較高壓生長樣品呈現顯著優化；其中(002)峰FWHM對螺位錯密度具有高度敏感性，(102)峰FWHM則主要反映刃位錯密度，二者協同表征了晶體質量的系統性提升。位錯密度計算采用經典公式(1)-(3)，其中β(002)、β(102)分別對應(002)和(102)衍射峰的HR-XRD半高寬，b為伯格斯矢量（Burgers vector）模量，其數值由晶體結構特性決定。
針對GaN材料體系，其伯格斯矢量模量參數表征如下：螺位錯對應bscrew = 0.5185 nm，刃位錯對應bedge = 0.3189 nm，其中α為倒格矢K(hkl)與(001)晶面法線間的夾角?；谏鲜鼍w學參數的理論計算表明：螺位錯與刃位錯密度分別達到1.15×10? cm?²和9.85×10? cm?²。在低壓外延生長條件下，氣體分子平均自由程顯著增大，使得表面原子獲得更長的擴散路徑。這一動力學優勢促進了原子向能量更低的晶格位點遷移，進而誘導形成三維（3D）成核層，最終實現晶體質量的系統性提升。然而，隨著腔室壓力升高，氣體分子間碰撞頻率呈指數級增加，導致表面原子擴散動力學受限，這一微觀機制轉變反而促進了三維成核模式的形成。
在腔室壓力恒定400 mbar的生長環境中，本研究系統探究了低溫GaN（LT-GaN）成核層厚度對晶體生長前沿動態演化的影響規律。圖3(a)-(e)通過俯視與截面掃描電鏡（SEM）雙重視角，完整呈現了3D GaN形貌隨生長時間（3 min、5 min、9 min）的演變過程。生長時間從3 min延長至5 min時，GaN成核島尺寸呈現顯著增大趨勢（對比圖3(a)與(b)）。進一步對比圖3(b)與(c)發現，GaN晶體并未實現完全融合，反而隨著生長時間增加，半極性晶面特征呈現顯著增強趨勢。基于高分辨截面SEM圖像的定量分析表明：外延生長時間3 min、5 min、9 min對應的3D低溫成核層厚度分別為250 nm、340 nm、460 nm，揭示出生長時間與成核層厚度呈正相關關系。圖3(e)清晰揭示了3D生長階段GaN晶體的梯形截面特征：頂部為(0001)晶面，側壁由{10-11}晶面族構成，傾斜側壁與基面間夾角精確測量為60.5°。這種半極性晶面的顯性化現象，本質上源于晶體沿半極性方向生長速率顯著滯后于[0001]晶向生長速率的動力學特性，反映了不同晶面族生長動力學的非對稱性。
圖2 不同壓力（600 mbar(a)、500 mbar(b)、400 mbar(c-d)）下3D-GaN薄膜表面形貌與晶體質量；(002)和(102)晶面FWHM隨生長壓力變化曲線(e-f)。
圖3 3D-GaN成核層生長時間演變（3min(a)、5min(b)、9min(c)）；3分鐘生長樣品截面SEM圖(d-e)
圖4 (a)3D-GaN及總GaN溝道層厚度隨生長時間(3、5、9 min)變化(后續2D GaN生長時間固定為20 min)；(b)GaN溝道層(002)和(102)搖擺曲線FWHM隨3D層生長時間變化；(c)(d)5 min 3D-GaN和20 min 2D-GaN溝道層的AFM圖像。
圖4(a)系統揭示了3D-GaN及總GaN溝道層厚度隨生長時間（3-9 min）的演變規律（后續2D GaN生長時間恒定于20 min）。圖4(b)定量表征了GaN溝道層(002)和(102)晶面搖擺曲線半高寬（FWHM）隨3D生長時間的動態變化。研究結果表明：當3D生長時間優化至5 min時，晶體質量達到最佳狀態——其(002)和(102)晶面FWHM分別降至180 arcsec和309 arcsec，對應的螺位錯與刃位錯密度分別降低至7.05×10? cm?²和9.67×10? cm?²。這一優化現象的動力學機制可闡釋為：在3D生長初始階段，位錯湮滅效應占主導地位；而當生長時間超過5 min后，成核島尺寸的顯著增大導致大角度晶界形成，并在大晶粒融合過程中誘發新生穿透位錯。因此，5 min的最優生長時間實現了3D生長階段位錯湮滅效率與3D/2D界面新生位錯抑制之間的動態平衡。進一步結合圖4(c-d)中5 min 3D-GaN與20 min 2D-GaN生長條件下溝道層的原子級表面形貌分析可知：該優化條件下獲得了均方根粗糙度（rms）低至0.29 nm的超平整表面，證實了生長動力學參數精準調控對表面質量的顯著提升作用。
圖5基于透射電鏡（TEM）截面表征，系統對比了"3D/2D兩步生長技術"與"純2D生長技術"制備的GaN/AlN異質結中位錯分布特征。所有高分辨圖像均沿GaN[11-20]晶帶軸采集于多束衍射條件，并分別采用g = [0002]和g = [10-10]衍射矢量對螺位錯與刃位錯進行標定。在純2D生長技術制備的樣品（圖5(a-b)）中，GaN溝道層內存在大量穿透位錯缺陷。與之形成鮮明對比的是，采用兩步生長技術制備的GaN/AlN異質結（圖5(c-d)）表現出顯著的位錯抑制效果：螺位錯與刃位錯密度均大幅降低，且位錯主要局限于3D-GaN層內部；僅少量螺位錯可從AlN緩沖層向GaN/AlN界面延伸，最終在界面處發生終止。高分辨TEM圖像顯示界面處存在周期性排列的失配位錯，證實其沿異質結界面呈均勻分布特征。
圖5 GaN/AlN異質結截面明場TEM像：(a)(b)純2D-GaN溝道層、(c)(d)3D/2D GaN溝道層生長技術（成像條件g = [0002]和[10-10]），箭頭標示位錯。
圖6(a)為GaN/AlN界面的選區電子衍射（SAED）圖譜，插圖為透射斑點的放大像；圖6(b)展示界面處的高分辨透射電鏡（HRTEM）圖像；圖6(c)為圖6(b)中標記區域的原子級分辨率圖像?；赱0002]晶向（圖6(d)）和[10-10]晶向（圖6(e)）空間頻率的傅里葉濾波圖像，分別呈現了GaN區域的原子排列特征。圖6(f)和(g)則通過幾何相位分析（GPA）分別揭示了沿a軸和c軸方向的應變分布特征。
為系統解析GaN/AlN界面區域的晶格匹配度及應力演變規律，本研究采用傅里葉濾波成像結合幾何相位分析（GPA）技術，基于高分辨透射電鏡（HRTEM）開展多尺度表征。圖6(a)展示了GaN/AlN界面的選區電子衍射（SAED）圖譜：整體上GaN與AlN衍射斑點近乎重合，但在高倍放大視圖中仍可清晰辨識出二者獨立的斑點分布特征，證實兩者呈現非相干外延生長模式。圖6(b)的高分辨TEM圖像則直觀揭示了界面處顯著的晶格畸變現象——該畸變源于GaN與AlN的晶格參數失配，在異質界面處必然誘發晶格畸變及失配位錯的形成。定量分析結果（圖6(c)）顯示：界面區域GaN的晶格常數呈現顯著變化，其中a軸方向晶格參數為0.2527 nm（顯著小于無應力狀態下GaN的理論值a?=0.3188 nm），c軸方向晶格參數為0.4691 nm（亦小于完整六方晶胞理論值c?=0.5185 nm）。基于六方晶系體積守恒定律，a軸與c軸晶格常數的同步收縮現象，只能歸因于GaN在AlN襯底上外延生長過程中Al原子的跨晶格擴散行為。界面附近GaN外延層的暗場對比特征（圖6中紅色虛線標定區域）進一步驗證了壓應力的存在，表明界面4 nm范圍內存在顯著的應變集中效應。傅里葉濾波分析（圖6(d-e)）成功解析出界面處兩類典型缺陷結構：標記為"T"的半原子面缺陷（對應[0002]空間頻率下的基平面位錯，bsf）以及[1-100]空間頻率下的刃位錯。幾何相位分析結果（圖6(f-g)）顯示界面區域存在顯著的殘余應變波動：在位錯核心周邊尤為明顯，表現為拉應力區（紅色標記）與局域壓應力區（藍色標記）的交替分布（紅色虛線界定）。這種位錯誘導的局部應力場可部分或完全抵消外延薄膜中的拉應力效應。本研究表明：盡管GaN在AlN襯底上未能實現理想的贗晶外延生長，但界面處局域化分布的位錯結構有效促進了應力釋放過程，顯著抑制了因應變積累導致的表面形貌粗化現象。
透射電鏡（TEM）雖能提供高分辨局部結構信息，但難以從宏觀尺度解析應變分布規律。為此，本研究采用拉曼光譜技術對兩種不同結構（直接生長的2D GaN結構與3D/2D復合結構）進行表征。如圖7所示，其330–830 cm?¹波數范圍內的拉曼光譜呈現四個特征振動模：417.22 cm?¹處的尖銳峰歸屬為藍寶石襯底的A?g聲子模（對應Al–O鍵沿c軸的對稱伸縮振動）；658.24 cm?¹處的峰對應AlN的E?（high）聲子模；736.43 cm?¹處的峰歸屬為GaN的E?（LO）聲子模；750.13 cm?¹處的肩峰可能源于藍寶石Eg模與GaN聲子模的耦合效應。箭頭標示的峰為GaN的E?（high）聲子模，其峰位偏移可直接反映GaN層的應變狀態。通過與無應力參考峰位（567.6 cm?¹）對比可知：直接生長于AlN襯底上的2D GaN結構，其E?（high）峰位向高頻方向偏移至576.07 cm?¹，表明GaN層內存在顯著的壓應力累積；而采用3D/2D復合結構的GaN薄膜，其E?（high）峰位僅偏移至570.2 cm?¹。這一差異證實3D GaN中間層通過應變弛豫機制有效降低了界面處的壓應力強度。上述拉曼光譜分析結果從宏觀尺度驗證了3D生長策略在調控晶格失配應力方面的顯著優勢。
圖7 二維模式(a)和三維+二維模式(b)下生長的GaN/AlN異質結的拉曼表征
為系統解析AlN背勢壘高電子遷移率晶體管（HEMT）外延結構中GaN溝道層厚度對器件性能的影響規律，本研究在固定低溫GaN（LT-GaN）生長時間為5 min（確保結晶質量最優化）的基礎上，通過梯度延長高溫GaN（HT-GaN）生長時間（10-20 min），實現了GaN溝道層厚度從350 nm至600 nm的精確調控（橢偏儀表征結果）。實驗結果表明：在較薄GaN溝道層條件下，電子限域效應顯著增強，器件擊穿電場強度獲得明顯提升；然而，僅當溝道層厚度超越臨界閾值時，方可同步實現原子級表面平整度與GaN內部位錯的有效湮滅。因此，在高頻器件應用場景中，GaN溝道層厚度的優化選取對協調載流子遷移率、二維電子氣（2DEG）限域效應及界面陷阱效應三者關系具有決定性作用。如圖8(a)所示，隨著GaN溝道層厚度增加，載流子遷移率呈現顯著單調遞增趨勢，而載流子濃度則呈指數級遞減規律。當溝道層厚度增至600 nm時，器件獲得最優方阻值297.3 Ω·sq?¹。定量測試結果顯示：2DEG載流子濃度穩定維持在1.12–1.41×10¹³ cm?²范圍內，遷移率則呈現1160–1880 cm²·V?¹·s?¹的寬幅分布。如圖8(b)對比分析所示，本研究獲得的2DEG輸運特性（兼具高遷移率與適中載流子濃度）不僅超越了分子束外延（MBE）制備的AlN/GaN/AlN異質結構，更顯著優于多數藍寶石基AlGaN/GaN/AlN異質結構體系。
圖8(a)展示了不同GaN溝道層厚度下二維電子氣（2DEG）的濃度與遷移率變化規律。圖8(b)為2DEG濃度及室溫遷移率的對比結果：其中星形符號表示本研究數據，紫色數據點對應文獻報道的AlGaN/GaN/AlN異質結構，灰色數據點代表AlN/GaN/AlN異質結構體系。圖中方形符號表征藍寶石襯底體系，三角形符號對應SiC與AlN襯底體系。
必須著重指出，在AlGaN/GaN異質結界面處，AlGaN與GaN間顯著的自發極化差異（該現象已被大量研究證實）為二維電子氣（2DEG）的形成提供了必要條件。Cao等學者的研究表明，當GaN溝道層厚度減小時，AlN模板誘導產生的強壓應力會進一步放大極化效應，從而導致2DEG面密度顯著提升——這一理論預測與圖8(a)中揭示的溝道層厚度與2DEG濃度負相關性高度一致。從能帶工程視角解析，溝道層厚度減小會引起GaN導帶能級上移，從而增強對電子的量子限域效應。然而，載流子遷移率受制于多重散射機制，其主導因素包括聲子散射與缺陷散射。倒易空間映射（RSM）分析表明：隨著溝道層厚度增加，AlGaN勢壘層中的Al摩爾分數呈遞減趨勢（具體數值為30.4%、28.5%和26.5%）。該現象與Chen等的研究結論相符，即GaN溝道層生長條件可調控AlGaN勢壘層的Al組分分布——Al摩爾分數降低雖能減弱合金散射效應以提升遷移率，但會導致AlGaN/GaN界面極化差異減小，進而引起2DEG面密度下降。深入研究表明：較薄的GaN溝道層對應更高的AlGaN勢壘層Al摩爾分數，這不僅會加劇合金無序散射效應，還會引發表面粗糙度顯著增加，導致界面粗糙度散射效應增強，最終造成電子遷移率降低。
研究結論
本研究通過精確調控金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）生長參數體系（涵蓋3D/2D兩步生長模式、腔室壓力及溝道層厚度），成功實現了AlN背勢壘高電子遷移率晶體管（HEMT）中AlN模板上GaN溝道層的晶體質量與表面形貌的協同優化。實驗結果表明：在400 mbar的低壓生長條件下，GaN表面形貌顯著改善，位錯湮滅效率提升至理想水平；當3D-GaN層生長時間優化至5 min時，成功獲得(002)和(102)晶面搖擺曲線半高寬（FWHM）分別低至180 arcsec和309 arcsec的優異晶體質量，同時實現原子級平整表面（均方根粗糙度達0.29 nm）。透射電鏡（TEM）分析進一步證實，在2D/2D生長模式下GaN/AlN界面處實現了高效位錯湮滅，證實了生長參數優化的有效性?；贏lN背勢壘的HEMT器件展現出卓越的電學性能：二維電子氣（2DEG）濃度高達1.12×10¹³ cm?²，霍爾遷移率提升至1880 cm²·V?¹·s?¹，方阻值降低至297.3 Ω·sq?¹。本研究通過構建多維度生長模式調控體系，成功開發出兼具高質量GaN/AlN異質結與低方阻特性的AlN背勢壘HEMT，為后續研制適用于高壓、高頻應用場景的高性能HEMT器件奠定了堅實的理論與實驗基礎。
原文源于【CrystEngComm】官網
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