通过金属-有机化学气相沉积法生长的AlScN/GaN多通道异质结构

《Advanced Materials Interfaces》：AlScN/GaN Multichannel Heterostructures Grown by Metal–Organic Chemical Vapor Deposition

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　　高电子迁移率晶体管（HEMTs）是现代电子技术中用于高效数据传输和能量转换的关键器件。它们以其高击穿电压和高功率密度而闻名，广泛应用于高频和高功率领域。随着对高性能电子器件需求的不断增长，GaN基HEMTs因其卓越的性能表现而备受关注。然而，尽管GaN HEMTs在市场上的应用已逐渐扩大，其性能仍受到一些基本限制的制约，其中最显著的是电子迁移率（μ）与二维电子气（2DEG）载流子密度（n_s）之间的权衡。为了克服这一瓶颈，研究者们提出了多通道异质结构的设计理念，通过在垂直方向上堆叠多个2DEG层，不仅能够提高载流子密度，还能维持较高的电子迁移率，从而提升器件的整体性能。

在传统异质结构中，常用的势垒材料包括AlGaN和AlN，这些材料能够提供较高的载流子密度和较低的通道电阻。然而，由于这些材料与GaN之间的晶格失配，导致在生长过程中产生应力相关的缺陷，从而限制了通道数量并影响了器件的可靠性。因此，寻找与GaN晶格匹配的势垒材料成为提升多通道异质结构性能的重要方向。AlScN作为一种具有较高极化特性的材料，被认为是一种极具潜力的替代选择。它不仅能够实现与GaN的晶格匹配，还能在较高的生长温度下（如1150 °C）形成无应变的层，同时具备比AlInN更宽的带隙，有助于增强电子的束缚效应和载流子密度。

尽管AlScN在理论上具备诸多优势，但其实际生长过程仍面临一定挑战。例如，AlScN的低蒸汽压使得其在金属有机化学气相沉积（MOCVD）工艺中难以稳定生长。为了解决这一问题，研究团队对商用MOCVD反应器进行了优化，成功实现了单晶AlScN层的生长，并首次展示了AlScN/GaN异质结构用于HEMTs的潜力。此外，通过引入AlN插入层（IL），可以进一步改善界面陡度，从而提升器件的电性能。这些改进不仅有助于提高电子迁移率，还能有效降低通道电阻，为高功率和高频率应用提供了新的可能性。

在实验过程中，研究团队采用不同的生长参数，包括通道厚度、周期数以及Sc含量，以探索其对异质结构性能的影响。通过系统研究这些参数，他们发现通道厚度对载流子密度和迁移率有显著影响。随着通道厚度的增加，载流子密度和迁移率均呈现上升趋势，但当通道厚度超过65 nm时，迁移率反而下降。这一现象可能与应变松弛和位错形成有关，需要进一步的实验研究来确认其具体机制。同时，表面粗糙度的控制也是影响器件性能的重要因素。通过调整生长温度和气体超饱和度，研究团队成功在4H-SiC衬底上实现了表面粗糙度低于1 nm的高质量多通道异质结构。

此外，研究团队还发现，不同的衬底类型对异质结构的生长和性能有显著影响。Al₂O₃虽然成本较低，但其与GaN之间的晶格失配较大，导致较高的应力和可能的缺陷。相比之下，4H-SiC衬底具有较高的热导率，有利于热管理，但其生长条件较为复杂。通过优化生长参数，研究团队成功在4H-SiC衬底上实现了具有更优性能的异质结构，特别是在载流子密度和迁移率方面取得了显著提升。

在多通道异质结构的生长过程中，AlScN层的Sc含量是一个关键参数。通过调整Sc含量，研究团队能够实现与GaN的晶格匹配，从而减少应变相关的问题。然而，Sc的扩散效应在生长过程中仍然存在，这使得在多周期结构中保持一致的Sc含量变得极具挑战性。为此，研究团队对生长条件进行了精细调整，以确保各周期之间的Sc含量稳定，从而提高异质结构的整体性能。

通过透射电子显微镜（TEM）和高分辨X射线衍射（HRXRD）等技术手段，研究团队对多通道异质结构的晶体质量和应变分布进行了详细分析。这些分析结果表明，AlScN/GaN异质结构在适当的生长条件下能够实现良好的晶体质量和较低的表面粗糙度。同时，通过1D Schr?dinger–Poisson模拟，他们进一步验证了这些异质结构在电性能上的优势，包括较高的载流子密度和迁移率。

研究团队还发现，多通道异质结构中可能存在二维空穴气（2DHG），这可能会影响载流子密度的测量结果。虽然目前尚未在实验中明确观测到2DHG的存在，但模拟结果表明其可能对异质结构的电性能产生一定影响。此外，AlScN中Ga的引入可能会降低载流子密度，因此在设计多通道异质结构时，需要权衡Ga和Sc的相对比例。

综上所述，这项研究首次展示了通过MOCVD工艺成功生长AlScN/GaN多通道异质结构的可行性。这些异质结构在保持高迁移率的同时，实现了较低的表面粗糙度和较高的载流子密度，为高功率和高频率电子器件的发展提供了新的方向。研究团队的实验结果不仅验证了AlScN作为势垒材料的优越性，也为后续的器件加工和性能优化奠定了坚实的基础。未来的研究将进一步探索如何在MOCVD工艺中优化生长条件，以实现更多周期的异质结构，并提升其在实际应用中的稳定性与可靠性。