除碳可提高GaN電子遷移率？

據(jù)日本研究人員報(bào)告，通過(guò)減少碳污染來(lái)避免碳污染源導(dǎo)致的“遷移率崩潰”，氮化鎵（GaN）的電子遷移率性能創(chuàng)下新高 。

住友化學(xué)株式會(huì)社、京都大學(xué)、名古屋大學(xué)、可持續(xù)材料與系統(tǒng)研究所（IMaSS）組成的研究團(tuán)隊(duì)報(bào)告稱，一樣品的碳濃度（[C]）低至1.4x1014/cm3，卻顯示出1480cm2/(V-s)的創(chuàng)紀(jì)錄室溫遷移率（μRT），溫度為62K時(shí)，最大μMAX為14,300cm2/(V-s)，同樣創(chuàng)下記錄。研究人員指出，該樣品的μMAX值幾乎是先前記錄的兩倍。

研究團(tuán)隊(duì)采用無(wú)石英氫化物氣相外延（QF-HVPE）生長(zhǎng)方法，嚴(yán)格控制硅（Si）、碳、氧的污染。石英是結(jié)晶二氧化硅。這種材料通常用于高溫工藝設(shè)備中。

除了實(shí)現(xiàn)創(chuàng)紀(jì)錄的遷移率性能外，該團(tuán)隊(duì)還尋求從經(jīng)驗(yàn)上理解碳污染造成的“崩潰”，以期充分發(fā)揮GaN的能力，制造出更高效、更緊湊的功率器件，借此為電動(dòng)汽車制造逆變器，并為可再生能源制造功率轉(zhuǎn)換器。

制造GaN常會(huì)用到金屬有機(jī)III族氮化物生長(zhǎng)方法，其中碳污染是一個(gè)特殊問(wèn)題，利用該方法進(jìn)行制造時(shí)，金屬離子鎵、銦、鋁會(huì)與有機(jī)成分相連，生成三甲基鎵等前驅(qū)體。甲基（CH3）由碳和氫組成。Sumitomo等人的無(wú)石英氫化物氣相外延法則避免了有機(jī)化學(xué)，從而避免加入不受控的碳。

研究人員先利用他們的空隙輔助分離法制備出2英寸獨(dú)立GaN襯底，再用無(wú)石英氫化物氣相外延工藝在其上生長(zhǎng)材料，最后利用所生長(zhǎng)材料制備出用于霍爾測(cè)量的樣品。通過(guò)背面拋光去除生長(zhǎng)襯底后，測(cè)試樣品由6mm x 6mm的方形n型GaN層組成。

生長(zhǎng)GaN層耗時(shí)5至8小時(shí)，生長(zhǎng)后整體厚度為300-500μm。去除襯底后，材料厚度為200-400μm。生長(zhǎng)溫度為1050°C，生長(zhǎng)壓力為大氣壓。生長(zhǎng)襯底的穿透位錯(cuò)密度（TDD）是均勻的，介于1x106/cm2和3x106/cm2之間。

樣品污染包括放置在氨氣（NH3）N源氣體流道的一小塊碳。碳?jí)K大小控制雜質(zhì)濃度（見(jiàn)表），雜質(zhì)濃度由二次離子質(zhì)譜法（SIMS）測(cè)定。從材料的中心開(kāi)始，用于霍爾測(cè)量的鋁/鈦電極放置在方形樣品的四角上。

表1：三種樣品的Si和C雜質(zhì)濃度以及霍爾測(cè)量結(jié)果

利用20K至300K（RT，室溫）時(shí)霍爾參數(shù)的溫度依賴性來(lái)評(píng)估散射機(jī)制對(duì)降低遷移率的影響，例如電離雜質(zhì)（II）、聲學(xué)形變勢(shì)（DP）、極性光學(xué)聲子（POP）、壓電（Piez）效應(yīng)等散射機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，遷移率在不同的低溫下會(huì)有所升高，達(dá)到峰值（μMAX），然后隨著溫度接近室溫而下降（μRT）。

△ 圖1：（a）[C]與μMAX的關(guān)系，（b）[C]與μRT的關(guān)系。觀測(cè)到的數(shù)據(jù)標(biāo)為實(shí)點(diǎn)。紅色虛線代表傳統(tǒng)理論，紅色實(shí)線代表根據(jù)假設(shè)額外遷移率影響μUNK計(jì)算得出的數(shù)值。

針對(duì)μMAX和μRT隨碳濃度變化的數(shù)據(jù)，研究人員比較了他們所得數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)理論所得數(shù)據(jù)（圖1）。在μMAX的低溫條件下，主要的遷移率來(lái)自雜質(zhì)散射。雖然測(cè)量值低于傳統(tǒng)預(yù)期值，但差異相對(duì)較小。然而，在室溫條件下，原預(yù)計(jì)聲子散射對(duì)遷移率的影響會(huì)占主導(dǎo)地位，但測(cè)量結(jié)果仍然顯示碳的存在會(huì)產(chǎn)生很大影響，從而導(dǎo)致“遷移率崩潰”。

研究團(tuán)隊(duì)以經(jīng)驗(yàn)為主，嘗試用術(shù)語(yǔ)μUNK（圖2）來(lái)描述對(duì)遷移率的“未知”影響。在無(wú)未知（UNK）影響和未知影響隨T-1.5變化的情況下，分別計(jì)算總遷移率。溫度隨T-1.5變化時(shí)，擬合結(jié)果更佳。

△ 圖2：樣品（a）1、（b）2、（c）3的霍爾遷移率與溫度的函數(shù)關(guān)系。黑色實(shí)點(diǎn)代表實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)?；疑⑺{(lán)色、橙色、綠色實(shí)線分別是算出的μII、μDP、μPOP、μPiez影響的霍爾遷移率，不含μUNK（虛線）和含μUNK（實(shí)線）。

必須記住，“散射”的增加會(huì)降低載流子遷移率，因此遷移率影響，至少在簡(jiǎn)單理論中，以倒數(shù)總和（Σi1/μi）的形式結(jié)合在一起，從而得出有效遷移率的倒數(shù)（1/μeff）。

附加影響的大小變化（μUNK= K/T1.5）近似于1/[C]的趨勢(shì)（圖3）。μUNK的溫度指數(shù)在1和2之間時(shí)，在擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)方面具有類似能力。

△ 圖3：樣品1-3的μUNK指前因子K與[C]之間的關(guān)系，以及先前報(bào)告的數(shù)據(jù)。

研究團(tuán)隊(duì)評(píng)論道：“傳統(tǒng)理論已考慮電離雜質(zhì)散射，因此圖3中K對(duì)[C]的依賴性有力表明，碳雜質(zhì)誘發(fā)了電離雜質(zhì)散射之外的其他散射機(jī)制。深碳受體周圍局部應(yīng)變引起的散射就是一種可能性?！?/p>

審核編輯：劉清