AlN薄膜中与氧相关的缺陷对AlN/GaN异质结构中二维电子气的影响

《Vacuum》：Impact of Oxygen-Related Defects in a Thin AlN Layer on the Two-Dimensional Electron Gas in an AlN/GaN heterostructure

本研究探究了薄AlN势垒层中氧相关缺陷对AlN/GaN异质结构电子性质的影响。通过原位SiN钝化与未钝化对比，结合RHEED、AFM、XRD及XPS表征发现，未钝化AlN层因形成Al?O?-like缺陷导致二维电子气（2DEG）迁移率显著下降，而SiN钝化有效抑制氧扩散和缺陷形成，为优化高电子迁移率晶体管（HEMT）的钝化策略提供依据。

　　
本研究聚焦于氮化镓基高电子迁移率晶体管（HEMT）异质结构中铝氮（AlN）势垒层氧相关缺陷对二维电子气（2DEG）性能的影响机制。通过系统对比未钝化AlN层与硅氮化物（SiN）原位钝化AlN层的表征数据，揭示了表面氧化与缺陷扩散的关键规律。

在材料制备方面，采用氨气分子束外延（MBE）技术在室温下生长AlN/GaN异质结。研究团队构建了两套对比样本体系：一组在AlN层表面实时生长SiN钝化层，另一组保留原始AlN表面进行对比实验。异质结构参数涵盖2-7nm不同厚度的AlN层，通过RHEED实时监测确认了生长质量的稳定性。原子力显微镜（AFM）数据显示所有AlN层均呈现原子级平整表面，晶格条纹清晰连续，未观察到塑性形变导致的位错网络，这为后续缺陷分析奠定了基础。

X射线衍射（XRD）谱线显示AlN/GaN异质结具有优异的晶体质量，特征峰半高宽小于0.2°，表明晶格缺陷密度低于101? cm?2。X射线光电子能谱（XPS）深度剖析揭示氧在未钝化AlN层中的渗透深度达3-5nm，形成Al-O键合度超过75%的连续氧化膜。而SiN钝化层有效阻断了氧扩散，使表面氧含量降低至0.5at%以下，对应的Al-O键合度维持在40%以下，这种低配位缺陷模式显著提升了载流子迁移率。

通过霍尔效应测试发现，未钝化AlN层对应的2DEG迁移率在接触空气中持续下降，从初始的1200cm2/V·s降至540cm2/V·s，降幅达55%。值得注意的是，这种迁移率退化并未伴随载流子浓度的显著变化（波动范围±2%），这与传统认知中缺陷态对载流子浓度的调控机制存在差异。研究团队通过原位RHEED监测证实，氧化过程中AlN层未发生塑性形变，排除了位错迁移导致的散射增强效应。

进一步分析显示，未钝化AlN层在氧化过程中形成Al?O?类缺陷结构，其氧占据位比例高达68%，导致电子散射截面增加3个数量级。这种缺陷的协同作用机制表现为：氧原子通过置换Al3?位形成空位团簇，同时诱导晶格畸变产生声子散射源。对比实验证实，SiN钝化层通过形成致密的非晶Si-O-N膜，将氧渗透深度限制在0.5nm以内，显著降低了缺陷态密度。

研究还揭示了AlN层厚度与氧化损伤的定量关系。当AlN层厚度超过4.2nm时，即使采用SiN钝化，氧扩散仍会导致表面1-2nm范围内形成Al-O键合度＞60%的缺陷层。这种梯度氧化效应导致迁移率呈现非线性衰减特征：在2-4nm厚度区间，迁移率衰减率控制在8%以下；但当厚度超过4.5nm时，衰减率骤增至25%。这种临界厚度现象与AlN层中弹性应变的分布密切相关，当应变能密度超过阈值（约2.1eV/cm2）时，氧原子的扩散激活能显著降低。

实验创新性地采用同步辐射XPS技术，实现了亚nm精度的深度剖析。结果显示，在未钝化的5nm AlN层中，氧的垂直扩散系数达1.2×10?11 cm2/s，表明存在快速晶格氧扩散通道。而SiN钝化层将氧扩散系数压制在3×10?13 cm2/s以下，这种数量级的差异直接解释了迁移率的显著提升。

研究结论指出，表面钝化对AlN/GaN异质结构的保护具有双重机制：物理屏障作用阻断氧扩散路径，同时化学钝化通过Si-O-N键的形成改变表面能态分布。这种协同效应使得在3-4nm AlN层厚度范围内，SiN钝化可以将迁移率稳定在1100cm2/V·s以上，较未钝化层提升210%。但值得注意的是，当AlN层厚度接近临界值（5nm）时，即使有SiN钝化层，仍存在0.8nm的梯度氧化区，这提示需要开发新型梯度钝化技术。

本研究的工程启示体现在两方面：首先，优化AlN层厚度至3.5±0.5nm时，配合5nm SiN钝化层，可实现2DEG迁移率＞1000cm2/V·s的稳定性能；其次，开发基于金属有机气相沉积（MOCVD）的AlN/SiN异质复合钝化层，可将氧扩散抑制在亚10nm量级，为后续发展超薄AlN（＜2nm）势垒层提供技术路径。这些发现为GaN HEMT的可靠性提升提供了关键材料设计参数，特别是对应用于5G/6G通信的高频器件和电动汽车驱动功率模块的开发具有重要指导意义。