科研速遞
近日，吉林大學(xué)研究人員在碳化硅（SiC）襯底上采用金屬有機化學(xué)氣相沉積（MOCVD）技術(shù)生長的氮極性（N-polar）GaN/AlGaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，實現(xiàn)了二維電子氣（2DEG）遷移率的顯著提升。該成果發(fā)表于《Applied Physics Letters》（第128卷，072101篇），2DEG遷移率達到1947 cm2/V·s，據(jù)稱是迄今為止SiC襯底上N極性GaN/AlGaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)報道的最高值。
這一突破解決了在高頻毫米波應(yīng)用中實現(xiàn)高性能N極性GaN高電子遷移率晶體管長期存在的挑戰(zhàn)。
N極性GaN HEMT在W波段（75-110GHz）相比金屬極性器件具有顯著優(yōu)勢，報道的輸出功率密度可達8W/mm——約為該頻段金屬極性器件的兩倍。然而，MOCVD生長的N極性GaN通常面臨更粗糙的表面形貌和顯著更高的氧雜質(zhì)濃度（約101? cm?3，比金屬極性薄膜高一個數(shù)量級）。這兩者都會通過界面粗糙度散射和電離雜質(zhì)散射降低2DEG遷移率。
團隊將高阻GaN模板層的生長溫度在950°C至1000°C之間變化來解決這一問題。與直覺相悖的是，降低高阻GaN生長溫度雖然增加了表面粗糙度——10×10μm2區(qū)域內(nèi)的均方根粗糙度從2.94nm升至4.32nm，但2DEG遷移率反而從1468 cm2/V·s顯著提升至1947 cm2/V·s。
二次離子質(zhì)譜分析揭示了其內(nèi)在機理：將高阻GaN生長溫度從1000°C降至950°C后，高阻GaN層中的碳摻入量提高了一個數(shù)量級（從1.1×101? cm?3升至1.1×101? cm?3），而氧濃度則從3.3×101? cm?3降至4.5×101? cm?3。研究人員解釋稱，在富鎵生長條件下，碳原子優(yōu)先占據(jù)氮位點，競爭性地抑制了氧的摻入。AlGaN勢壘層中氧濃度的降低——從2.1×101? cm?3降至2×101? cm?3——削弱了電離雜質(zhì)散射這一主要的遷移率限制機制。
基于馬蒂森法則的半定量分析表明，電離雜質(zhì)散射10.5倍的抑制效應(yīng)超過了粗糙度增加帶來的2.2倍退化效應(yīng)，證實了雜質(zhì)控制是主導(dǎo)因素。此外，高阻GaN中更高的碳濃度使其方塊電阻從7.8×10? Ω/sq提升至9.1×10? Ω/sq，這不僅抑制了泄漏電流，還通過并聯(lián)導(dǎo)電效應(yīng)部分貢獻了測得的遷移率提升。
為驗證器件層面的影響，團隊制備了兩種溫度下高阻GaN生長的N極性HEMT。在高阻GaN生長溫度為950°C的器件在VGS = ?2V時實現(xiàn)了完全夾斷，在VGS = 1V時飽和電流密度達到492mA/mm；而高阻GaN生長溫度為1000°C的器件由于緩沖層泄漏，即使在?6V時也無法完全夾斷。
團隊表示：“這項工作展示了一種提升N極性GaN/AlGaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中2DEG遷移率的有效方法，對推動高性能N極性GaN HEMT器件的發(fā)展具有重要意義。”
論文信息：Haotian Ma, Gaoqiang Deng, Shixu Yang, Yusen Wang, Jingkai Zhao, Changcai Zuo, Yi Li, Haozhe Gao, Yuliang Liu, Xiang Lin, Tianpeng Yang, Yuantao Zhang; High-mobility nitrogen-polar GaN/AlGaN heterostructures via impurity modulation. Appl. Phys. Lett. 16 February 2026; 128 (7): 072101.
https://doi.org/10.1063/5.0313847
文章來源：semiconductor-today
注：本文綜合自網(wǎng)絡(luò)公開信息，僅供行業(yè)交流與科普參考。如因信息更新或理解偏差存在不準(zhǔn)確之處，歡迎聯(lián)系我們指正。本文不對內(nèi)容完整性或時效性作任何保證，也不構(gòu)成任何投資或商業(yè)決策建議，不對任何后果承擔(dān)責(zé)任。感謝您的理解與支持。
