ε-(AlxGa1-x)2O3-ε-Ga2O3异质结电子输运性质研究.docx

? ? ε-(AlxGa1-x)2O3/ε-Ga2O3异质结电子输运性质研究 ? ? 白雅楠，吕燕伍 (北京交通大学理学院，北京 100044) 0 引 言 Ga2O3是一种很有吸引力的宽带隙半导体材料，由于其高击穿场强和超宽带隙[1]的特点，正在成为一种很有前景的高功率开关电子器件、光电探测器和日盲紫外探测器的材料。Ga2O3有五种晶型[2]，其中β-Ga2O3是最稳定也是研究最多的相，调制掺杂诱导的高密度二维电子气(2DEG)会导致β-(AlxGa1-x)2O3/Ga2O3异质界面2DEG沟道迁移率的增加，这是由于减少了电离杂质散射并且增强了2DEG沟道对声子模式的屏蔽。要想获得高密度的2DEG，需要对β-(AlxGa1-x)2O3阻挡层进行大量的掺杂以及插入极薄的隔离层，同时还需要严格控制生长参数和突变的异质界面以及尖锐的掺杂轮廓[3]。β-Ga2O3晶体结构具有对称中心，但缺乏任何特殊性质，如压电性、铁电性等[4]；而Ga2O3的亚稳相ε-Ga2O3，由于其超宽的带隙和独特的材料特性引起了人们的兴趣。 早在1952年，Roy等[5]通过对Ga(NO3)3进行热分解合成了ε-Ga2O3，他们发现ε-Ga2O3在870 ℃时保持稳定，但是对它的晶体结构一直不清楚。直到2013年Playford等[6]报道了ε-Ga2O3的晶体结构，确定了ε-Ga2O3属于正交晶系，空间群为Pna21(a=0.513 nm，b=0.88 nm，c=0.942 nm)。在2015年，Oshima等[7]证明了使用氢化物气相外延(HVPE)法可以在GaN、AlN和β-Ga2O3衬底上生长纯相ε-Ga2O3薄膜，确定了ε-Ga2O3薄膜的带隙为4.4 eV，表明ε-Ga2O3在制造高性能太阳盲探测器方面具有很大的应用潜力。此外，Maccioni等报道ε-Ga2O3/GaN晶体管在异质结界面上可能具有较高的2DEG浓度(1014cm-2)，并且它可能大大优于AlGaN/GaN的2DEG浓度(1013cm-2)[8]。这是因为与Ш族氮化物半导体相比，ε-Ga2O3也具有自发极化和压电极化，并且ε-Ga2O3的自发极化比Ш族氮化物半导体(如GaN和AlN)高近一个数量级，可以在没有掺杂的情况下在异质界面形成高浓度的2DEG，类似于AlxGa1-xN/GaN异质界面，ε-(AlxGa1-x)2O3/ε-Ga2O3具有相对较低的晶格失配，通过优化生长条件，可以在ε-(AlxGa1-x)2O3/ε-Ga2O3异质界面形成高达1014cm-2的2DEG[9]。 与其他的Ga2O3基异质结相比，ε-(AlxGa1-x)2O3/ε-Ga2O3异质结具有相对比较强的自发极化和压电极化，所以异质结界面存在高密度和高迁移率的2DEG，因此可以广泛应用于高频、大功率半导体器件领域，为了进一步提高ε-(AlxGa1-x)2O3/ε-Ga2O3高电子迁移率晶体管(HEMT)的器件性能。本文以ε-(AlxGa1-x)2O3/ε-Ga2O3异质结结构中的ε-(AlxGa1-x)2O3势垒层为研究对象，考虑有限厚度的势垒层和异质结界面的自发极化和压电极化效应，给出ε-(AlxGa1-x)2O3/ε-Ga2O3异质结结构的2DEG特性，在不同Al摩尔组分和ε-(AlxGa1-x)2O3势垒层厚度的情况下，研究它们对2DEG浓度、合金无序散射、界面粗糙度散射和极性光学声子散射的影响，研究结果对控制ε-(AlxGa1-x)2O3/ε-Ga2O3异质结构中的2DEG浓度和提高电子迁移率具有一定意义。 1 理论模型与计算方法 1.1 ε-(AlxGa1-x)2O3/ε-Ga2O3HEMT结构中的2DEG浓度 实验上使用金属有机化学气相沉积法(MOCVD)在c面蓝宝石衬底上生长ε-(AlxGa1-x)2O3/ε-Ga2O3异质结，采用水(H2O)和三甲基镓(TMG)作为试剂和钯纯化的H2作为载体，TMG的温度和压力保持在650 ℃和104Pa，实验结果表明使用H2O要比使用纯氧的效果更好，这是由于原子氧相对于分子氧从水中解离出来的反应性更高，H2O和TMG的分压比在100～1 000范围内变化，通常设定为200[10]。晶体的生长方向为c对称轴，把这个方向记为z轴，x-y平面是垂直于z轴的平面，图1是ε-(AlxGa1-x)2O3/ε-Ga2O3HEMT的基本结构示意图，它的结构是在较厚的ε-Ga2O3层上覆盖一层厚度为几纳米到十几纳米的ε-(AlxGa1-x)2O3，上面是一个由肖特基结充当的栅极，Au和Ti常作为栅极材料[11]。因为ε-(AlxGa1-x)2O3的禁带宽度较大，所以电子会积累在ε-(AlxGa1-x)2O3/ε-Ga2O3异质结下表面的势阱中从而形成2DEG，并且