AlGaN_GaN异质结极化行为与二维电子气

S e m i c o n d u c t o r T e c h n o l o g y V o l . 2 9 N o . 7 J u l y 2 0 0 463 1 引 言 众所周知，G a N 、A l N及其三元合金 A l G a N 具有禁带宽度大（3 . 3 9 e V ） 、电子饱和漂移速度 高（可达 1 . 5 1 0 7c m / s ） 、击穿电场强（3 m V / c m ） 、热导率高( 1 . 3 W / c m K ) 、化学稳定性好 等特点，是制作高温、大功率、高频电子器件的 理想材料 1 4 。另一方面，A l G a N / G a N 异质结及其 相关器件H E M T 因其较高的二维电子气浓度、 迁移率 及由此导致的优越的高频、高压、高温性能理所当 然的受到世人的关注， 成为新的研究热点之一 2 , 5 , 6 。 对于非中心对称结构的材料， 具有至少一个的 特定晶格方向， 在经过对称操作之后无法与原来完 全一致，存在沿特定轴的压电极化效应。同时，有 的晶体只有单一旋转性， 而无垂直于此轴的镜面对 称性，具有自发极化效应，即在某些温度范围，晶 体中的阴阳离子均在其具有最低自由能的平衡位置， 但阴阳离子中心并不一致，阴、 阳离子往单一方向 偏移产生偶极矩 4 , 7 。 随着对- 化合物半导体认识的不断深入， 人们发现 3 , 8 , 9 ， 极化效应对A l G a N / G a N 异质结界面 处二维电子气的形成及调制作用不容忽视， 有关极 化的研究也因此在国内外相继展开， 本文主要针对 A l G a N / G a N 异质结讨论极化对二维电子气特性的影 响 。 A l G a N / G a N 异质结极化行为与二维电子气 薛丽君 1，刘明1，王燕2，夏洋1，陈宝钦1 （1 . 中国科学院微电子研究所，北京 1 0 0 0 2 9 ； 2 . 清华大学微电子研究所， 北京 1 0 0 0 8 4 ） 摘要：A l G a N / G a N异质结及其相关器件因其优越的电学特性成为近几年的研究热点。2 D E G作为其特 征与材料本身的极化现象关系密切。 本文主要从晶体微观结构角度介绍A l G a N / G a N 异质结极化现象的产生、 机理和方向性，着重讨论极化对异质结界面处诱生的二维电子气的影响。极化不仅可提高2 D E G 的浓度，而 且还能使其迁移率得到提高。 关键词：异质结；极化；二维电子气 中图分类号 ： T N 3 0 4 . 2 +6 文章标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 3 - 3 5 3 X ( 2 0 0 4 ) 0 7 - 0 0 6 3 - 0 3 T h e p o l a r i z a t i o n a n d 2 D E G i n A l G a N / G a N h e t e r o s t r u c t u r e s X U E L i - j u n 1，L I U M i n g1，W A N G Y a n2，X I A Y a n g1，C H E N B a o - q i n1 ( 1 . I n s t i t u t e o f M i c r o e l e c t r o n i c s o f C A S , B e i j i n g 1 0 0 0 2 9 , C h i n a ； 2 . I n s t i t u t e o f M i c r o e l e c t r o n i c s o f T s i n g h u a U n i v e r s i t y , B e i j i n g 1 0 0 0 8 4 , C h i n a ) A b s t r a c t : A l G a N / G a N h e t e r o s t r u c t u r e h a s m a n y c h a r a c t e r i s t i c s w h i c h m a k e i t p o t e n t i a l f o r e l e c t r o n i c d e v i c e s t h a t c a n b e o p e r a t e d u n d e r c o n d i t i o n s o f h i g h v o l t a g e , h i g h f r e q u e n c y a n d h i g h t e m p e r a t u r e . 2 D E G a n d p o l a r i z a t i o n p h e n o m e n a a r e t h e m o s t i m p o r t a n t f e a t u r e s o f t h e s e d e v i c e s . B a s e d o n t h e c r y s t a l s t r u c t u r e , t h e m e c h a n i s m a n d d i r e c t i o n o f p o l a r i z a t i o n i s p r e s e n t e d . I n a d d i t i o n , t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e 2 D E G i n d u c e d b y p o l a r i z a t i o n a r e r e v i e w e d . I t i s a l s o p o i n t e d o u t t h a t p o l a r i z a t i o n c a n n o t o n l y i n c r e a s e t h e c o n c e n t r a t i o n o f 2 D E G , b u t a l s o i m p r o v e t h e e l e c t r o n m o b i l i t y . K e y w o r d s : h e t e r o s t u c t u r e ； p o l a r i z a t i o n ； 2 D E G 支撑技术 S u p p o r t i n g T e c h n o l o g y 半导体技术第2 9 卷第 7 期 二 O O四年七月64 2 极 化 现 象 与 二 维 电 子 气 的 形 成 G a N ，A l N通常有稳定的纤锌矿（六方）和 亚稳的闪锌矿（立方）两种结构 1 。由于晶体结 构各自特有的对称性， 形成异质结时晶格失配产生 应力导致这两种结构的晶体会由于压电效应而极 化。 而纤锌矿结构的晶体由于强离子性还有沿六方 c 轴的自发极化， 即形成无数规则分布的带负电和 带正电的原子， 通常在G a N 晶体内部具有不同极性 的小区域会互相抵消， 所以极化效应不会累积。 但 当其与A l G a N 形成异质结时， 界面处的突变使得在 紧邻界面处某种电极性区域占优势， 而且由于两种 不同的晶格结合时在界面处导致的压电极化， 这种 带电极化被进一步增强了 1 0 。 G a N 沿六方c 轴的两个相反方向呈现不同的原 子序列，如图 1 所示。基本面是由阳离子 G a 和阴 离子N 构成的六方结构原子层， G a 面指G a 在 0 0 0 1 方向双面层的顶部，对应 0 0 0 1 极性；同理，N 面 对应 0 0 0 1 极性，重要的是， （0 0 0 1 ）和（0 0 0 1） 面不等效， 物理和化学特性存在差异。 由以上分析可知，因为 M O C V D ( G a ( A l ) 面) 和 P I M B E ( N 面) 生长的材料极性不同 1 0 ， 2 D E G 补偿正 的诱生电荷现象会在异质结的不同界面处存在， 综 合效果见图 3 ，这一结果有助于器件设计。 图1 纤锌矿结构G a N 原子结构示意图 图 2给出了 G a面、N 面异质结在拉伸、压缩 和驰豫情况下的自发和压电极化的方向， 界面处自 发极化或压电极化互相加强或减弱。 晶体结构的突 变引起极化电荷的积累， 如果极化诱生的薄层电荷 密度为正， 自由电子将倾向于补偿这些极化诱生 电荷， 若异质结能带弯曲产生的势垒足够高， 且界 面状况良好， 那么这些补偿电子将被限制在一个很 薄的势阱中运动，形成二维电子气；反之，如果 界面极化诱生电荷为负， 则引起空穴在界面位置的 积累， 可形成二维空穴气。 对G a ( A l ) 面A l G a N / G a N 异质结，极化诱生电荷为正，即使在驰豫情况下 （A l G a N厚度大于 6 5 n m ） ，由于两种材料自发极 化强弱的不同也会引起电子在界面的积累， 如图2 ( a ) 示。如果晶体结构用赝晶格方式生长，则由于 晶格拉伸产生的压电效应将使P ( A l G a N ) - P ( G a N ) 得到 加强， 同样可得到电子在界面处的积累， 如图2 ( b ) 示。对 N 面材料，自发极化和压电极化均与 G a 面 结构反向，图 2 ( d ) 、 ( e ) 中，极化诱生电荷为负， 空穴在界面处积累；如果 G a N 生长在 A l G a N 上， 两种极化效应反向， 但由于强度不同， 同样可产生 界面诱生电荷，是否有 2 D E G 生成，需视具体情况 而定，见图 2 ( c ) 、 ( f ) 。 图 2 G a面、N面 A l G a N / G a N 异质结中 自发极化和压电极化方向及极化电荷 图3 G a 面、N 面A l G a N / G a N 异质结极化诱生2 D E G示意图 支撑技术 S u p p o r t i n g T e c h n o l o g y S e m i c o n d u c t o r T e c h n o l o g y V o l . 2 9 N o . 7 J u l y 2 0 0 465 3 极 化 对 二 维 电 子 气 的 影 响 目前，最常见的 A l G a N / G a N H E M T器件结构 采用在蓝宝石上沿 0 0 0 1 方向生长纤锌矿结构材料， 各层组分通常因晶格失配或外延层和衬底热膨胀失 配而受到应力的作用。 文献报道 1 0 ， 纤锌矿的G a N 和A l N 的自发和压电极化比传统的- 和- 化 合物高出 1 0 倍左右，其中 A l N 的自发极化更是显 著， 是典型铁电材料的3 到5 分之一， 应变的A l G a N 顶层中压电、 自发极化电场分别达2 m V / c m 和3 m V / c m ，可产生较高的界面电荷浓度。非人为掺杂的 A l G a N / G a N 异质结界面处二维电子气来源于A l G a N 势垒层和G a N 中较高浓度的背景载流子， 而且金属 接触和类施主表面态也可注入载流子 1 2 , 1 3 。 在调制掺杂异质结器件 H E M T 中，n 型掺杂的 势垒层界面附近出现耗尽区，2 D E G 积累在非掺杂 层靠近界面的近三角势阱中。 势阱中的这些电子由 于和势垒中的散射中心分离， 可以获得很高的迁移 率，如图 4所示。A l G a N和 G a N 极化的差在界面 上诱生正的（类施主）电荷，在 A l G a N 层的顶部 （在 G a N的底部也有可能）诱生负的（类受主） 电荷。在 A l G a N / G a N界面的电荷大部分由界面 2 D E G 补偿，在 A l G a N 层顶部的电荷将由自由表面 的充电表面态补偿， 或由金属接触的金属层中的载 流子补偿 2 。 自洽解。 综上所述，极化可诱生二维电子气，A l G a N / G a N 界面 2 D E G 的面密度既取决于导带断续和异质 结构的人为掺杂， 又受到极化效应的有利影响。 此 外，极化现象加强了对 2 D E G 的调制作用，使其更 趋于异质结界面， 更大程度的屏蔽了晶体对它的散 射，使其迁移率提高。解决了传统 M E S F E T器件 载流子浓度和迁移率两个值不能同时高的矛盾 1 4 ， 这是A l G a N / G a N 异质结器件性能优越的根本原因。 关于极化对 2 D E G 器件宏观参数（如跨导、漏 电流等）和微观参数（载流子浓度和电场分布等） 影响的定量计算， 需要继续深入开展工作， 才能得 到结果。 4 结 论 本文从晶体微观结构出发， 讨论了A l G a N / G a N 异质结界面的极化特性， 基于极化现象的产生和方 向性， 根据现有研究成果阐述了极化对二维电子气 浓度和迁移率方面的重要作用。 关于极化现象对载 流子浓度及迁移率甚至器件宏观参数的定量影响需 要进一步深入开展工作， 将在后面的报道中阐述。 参考文献： 1 郝跃, 彭军, 杨银堂. 碳化硅宽带隙半导体技术 M . 北 京：科学出版社，2 0 0 0 . 2 5 1 - 2 6 8 . 2 K H A N M A , B H A T T A R A I A R , K U Z N I A J N . H i g h e l e c t r o n m o b i l i t y t r a n s i s t o r b a s e d o n a G a N - A l xG a1 - xN h e t e r o j u n c t i o n J . A p p l P h y s L e t t , 1 9 9 3 , 6 3 ( 1 ) : 1 2 1 4 - 1 2 1 8 . 图 4 A l G a N / G a N 异质结电荷构成示意图 对- 族氮化物中极化效应的大量研究揭示 了极化效应对2 D E G 性质和异质结器件特性的影响， 极化的重要作用从图 5 可见一斑 4 。图 5 （a ）为 用一维薛定谔方程和泊松方程自洽求解得到的沿生 长方向的带边， ( b ) 为两方程联立得到的电子浓度的 图 5 （a ）用一维薛定谔方程和泊松方程自洽求解 得到的沿生长方向的带边， （b）电子密度的自洽解 （下转第 56页） 支撑技术 S u p p o r t i n g T e c h n o l o g y 半导体技术第2 9 卷第 7 期 二 O O四年七月56 路节点的动作。 随着高度集成的S o C 器件越来越多 的采用数量更多、规模更大且更复杂的嵌入式内 核，传统的调试方法面临更大的困难。 技术使用扫描技术， 工程师通常也无法定位埋 藏在嵌入式内核中的失效， 且片上扫描链最终会导 致与 D S M 相关的同样的失效，而这些失效正是工 程师希望在核心器件中找到的。 相应的D S M 器件需要更高效的芯片调试方法， 通过工程分析工具直接获得器件节点级信号。 传统 的机械探测方法无法满足测试D S M 的特征尺寸和电 路负载限制。 基于节点级光探测的芯片调试方法是未来进行 芯片调试很有前景的工具。 早期的方法如激光电压 探测( L V P ) 允许工程师检查特定节点。 近期出现的 时间分辩光子发射方法能够满足器件几何尺寸、 不 到增加的金属层和倒贴封装技术所需的速度、 敏感 度和灵活性方面的要求。 配合刚刚出现的高效固态 浸润透镜技术， 新的发射方法已经可以实际地应用 于采用6 5 n m 及6 5 n m 以下半导体工艺技术器件的调 试，这些器件有更小的几何尺寸和更低的操作电 压 。 节点级分析嵌入于集成工程环境允许工程师顺 利的完成设计的生产制造的转移， 使他们能够通过 结合自身的设计经验和通过实际测量获得的对器件 的了解获得产品投片成功。随着设计复杂度的增 加， 进行预见性芯片调试的能力在控制成本和加速 产品面市方面扮演越来越关键的角色。多种方法 中， 高效的节点级分析技术将为芯片的快速调试提 供必要的工具。 关于作者 Itzik Goldberger 是科利登系统公司付总裁， 常驻美国加州 M i l p i t a s 。 科利登是业界领先的为半导体工业提供从设计到测试解决方案 的供应商。 3 郝跃, 张金凤. A l G a N / G a N 界面特性研究进展 J . 微纳电 子技术，2 0 0 2 , 1 0 ( 1 ) : 1 - 7 . 4 M A J E W S K I J A , Z A N D L E R G , V O G L P . H e t e r o s t r u c t u r e f i e l d e f f e c t t r a n s i s t o r s b a s e d o n n i - t r i d e i n t e r f a c e s J . J P h y s , 2 0 0 2 , 1 4 ( 1 ) : 3 5 1 1 - 3 5 2 2 . 5 谢孟贤, 刘诺. 化合物半导体材料与器件 M . 成都 ： 电 子科技大学出版社，2 0 0 0 . 1 0 8 - 1 2 4 . 6 俞慧强, 张荣, 周玉刚. G a N 基H F E T 的新进展 J . 固体 电子学研究与进展，2 0 0 1 . 2 1 ( 1 ) : 1 3 9 - 1 4 5 . 7 方俊鑫, 殷之文. 电介质物理学 M . 北京：科学出版社， 1 9 8 9 . 1 6 - 3 5 . 8 B A L A N D I N A , M O R O Z O V S V , C A I S . L o w f l i c k e r - n o i s e G a N / A l G a N h e t e r o s t r u c t u r e f i e l d - e f f e c t t r a n s i s - t o r s f o r m i c r o w a v e c o m m u n i c a t i o n s J . I E E E T r a n s o n M i c r o w a v e T h e o r y a n d T e c h n o l o g y , 1 9 9 9 , 4 7 ( 8 ) : 1 4 1 3 - 1 4 1 7 . 9 Z H O U Y Q , S H E N B , Y U H Q . P i e z o e l e c t r i c p o l a r i z a - t i o n e f f e c t i n A l xG a1 - xN / G a N h e t e r o s t r u c t u r e s t h r o u g h c a p a c i t a n c e - v o l t a g e m e t h o d J . C h i n e s e J o u r n a l o f L u m i n e s c e n c e , 2 0 0 1 , 2 2 ( 1 0 ) : 6 1 - 6 6 . 1 0 A M B A C H E R O , S M A R T J , S H E A L Y J R . T w o - d i m e n - s i o n a l e l e c t r o n g a s e s i n d u c e d b y s p o n t a n e o u s a n d p i - e z o e l e c t r i c p o l a r i z a t i o n c h a r g e s i n N - a n d G a - f a c e A l G a N / G a N h e t e r o s t u c t u r e s J . J o f A p p l P h y s , 1 9 9 9 , 8 5 ( 6 ) : 3 2 2 2 - 3 2 3 3 . 1 1 A S B E C K P M , Y U E T , L A U S . P i e z o e l e c t r i c c h a r g e d e n s i t i e s i n A l G a N / G a N H F E T s J . E l e c t r o n L e t t , 1 9 9 7 , 3 3 ( 1 4 ) : 1 2