沈 波*，唐 寧，楊學(xué)林，王茂俊，許福軍，王新強，秦志新

1北京大學(xué)寬禁帶半導(dǎo)體研究中心2北京大學(xué)人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國家重點實驗室3北京大學(xué)信息與科學(xué)技術(shù)學(xué)院微納電子學(xué)系

GaN基半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的外延生長、物性研究和器件應(yīng)用

沈 波1,2*，唐 寧1,2，楊學(xué)林1,2，王茂俊1,3，許福軍1,2，王新強1,2，秦志新1,2

1北京大學(xué)寬禁帶半導(dǎo)體研究中心2北京大學(xué)人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國家重點實驗室3北京大學(xué)信息與科學(xué)技術(shù)學(xué)院微納電子學(xué)系

GaN基寬禁帶半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)具有非常強的極化效應(yīng)、高飽和電子漂移速度、高擊穿場強、高于室溫的居里轉(zhuǎn)變溫度、和較強的自旋軌道耦合效應(yīng)等優(yōu)越的物理性質(zhì)，是發(fā)展高功率微波射頻器件不可替代的材料體系，也是發(fā)展高效節(jié)能功率電子器件的主要材料體系之一，在半導(dǎo)體自旋電子學(xué)器件上亦有潛在的應(yīng)用價值。GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料、物理與器件研究已成為當前國際上半導(dǎo)體科學(xué)技術(shù)的前沿領(lǐng)域和研究熱點。本文從GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)的外延生長、物理性質(zhì)及其電子器件應(yīng)用三個方面對國內(nèi)外該領(lǐng)域近年來的研究進展進行了系統(tǒng)的介紹和評述，并簡要介紹了北京大學(xué)在該領(lǐng)域的研究進展。

GaN基寬禁帶半導(dǎo)體；外延生長；二維電子氣；輸運性質(zhì)；自旋性質(zhì)；GaN基電子器件

I.引言

新型半導(dǎo)體材料和器件的發(fā)展，及相關(guān)的半導(dǎo)體物理進步,往往推動著新的技術(shù)革命和新興產(chǎn)業(yè)的誕生。以GaN為代表的III族氮化物（又稱GaN基）寬禁帶半導(dǎo)體及其低維量子結(jié)構(gòu)以其優(yōu)異的光電物理特性，繼第一代半導(dǎo)體Si、Ge和第二代半導(dǎo)體GaAs、InP之后，成為第三代半導(dǎo)體的主要材料體系，也成為當前半導(dǎo)體科學(xué)技術(shù)和半導(dǎo)體物理的主要研究領(lǐng)域之一。

GaN基半導(dǎo)體由InN、GaN、AlN三種直接帶隙化合物半導(dǎo)體材料及其組分可調(diào)的三元、四元合金組成，其禁帶寬度室溫下從 InN的 0.63 eV到 AlN的6.2 eV連續(xù)可調(diào)，覆蓋了從中紅外到深紫外的寬廣波長范圍，是迄今禁帶寬度調(diào)制范圍最寬的半導(dǎo)體體系。同時，由于平衡態(tài)的GaN基半導(dǎo)體是六方對稱的纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)，在[0001]方向缺乏反演對稱性，加上化學(xué)鍵極性很強，GaN基半導(dǎo)體及其異質(zhì)結(jié)構(gòu)具有很強的自發(fā)和壓電極化效應(yīng)，極化感應(yīng)電場高達MV/cm量級。帶隙調(diào)制范圍寬和極化效應(yīng)強是GaN基半導(dǎo)體區(qū)別于其他半導(dǎo)體體系最重要的兩個物理特征。

上世紀 80年代末、90年代初日本名古屋大學(xué)Akasaki、Amano課題組和日亞化學(xué)公司Nakamura課題組分別在GaN及其InGaN/GaN量子阱材料的外延生長和 p型摻雜上取得了重大突破[1?3]，并研制出高亮度藍光發(fā)光二極管(LED)，直接導(dǎo)致了半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，引發(fā)了照明技術(shù)的革命性變化，為此，這三位科學(xué)家獲得了2014年諾貝爾物理學(xué)獎。近年來，隨著高效藍光、白光LED研究的不斷成熟，GaN基半導(dǎo)體材料質(zhì)量快速提升，基于GaN基半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)和二維電子氣(2DEG)特性的電子材料和器件逐漸成為GaN基寬禁帶半導(dǎo)體新的研究熱點，主要涉及GaN基半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的外延生長、物理性質(zhì)研究和電子器件研制。

圖1.各種化合物半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)中2DEG面密度比較

GaN基半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)主要包括AlGaN/GaN、InAlN/GaN和AlN/GaN等，其中AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)是目前使用最廣、材料綜合性能最好的GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)。根據(jù)不同的應(yīng)用需求，GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)可以外延生長在藍寶石、SiC或 Si襯底上。由于很強的極化效應(yīng)，GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)中2DEG面密度可達1013cm?2量級，是迄今2DEG密度最高的半導(dǎo)體材料體系，如圖1所示意。加上其具有的高飽和電子漂移速度、高擊穿電場、抗輻射、耐腐蝕等優(yōu)越的物理、化學(xué)性質(zhì)，非常適合發(fā)展高功率微波射頻器件和高效節(jié)能功率電子器件。在微波功率器件方面，基于GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)，特別是AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的高電子遷移率晶體管(HEMT)具有輸出功率密度高、工作頻率高、工作溫度高、工作帶寬高等優(yōu)越性能，能滿足新一代電子裝備對微波射頻器件更大功率、更高傳輸速度、更小體積以及更高工作溫度的要求，在相控陣雷達、衛(wèi)星通訊、電子對抗等軍事領(lǐng)域和移動通訊等民用領(lǐng)域具有不可替代的重大應(yīng)用價值。在功率電子器件（又稱電力電子器件、功率開關(guān)器件）方面，由于GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)的高2DEG密度，基于GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)的功率電子器件的導(dǎo)通電阻比相應(yīng)的Si和SiC器件分別低兩個和一個數(shù)量級，節(jié)能效益顯著，并具有開關(guān)速度快、體積小、工作溫度高等優(yōu)勢，在工業(yè)控制、電動汽車、IT以及消費電子領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用價值?，F(xiàn)今全球70%以上的電力電子系統(tǒng)是由基于功率電子器件的電力管理系統(tǒng)所控制，而目前占主導(dǎo)地位的Si功率電子器件自身有5～8%的能量損耗，且體積較大、工作溫度低，經(jīng)過多年的發(fā)展器件性能已接近Si材料性質(zhì)的物理極限，進一步提升空間有限，迫切需要在新的半導(dǎo)體材料體系下發(fā)展新型的高效節(jié)能功率電子器件?；贕aN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)的HEMT器件有望成為下一代高效節(jié)能功率電子器件最有希望的競爭者之一。

II.GAN基半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的外延生長

A.GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)外延生長概述

1991年，就在GaN基LED取得突破不久，美國APA Optics公司和南卡大學(xué)的Khan等利用金屬有機物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)方法首次在藍寶石襯底上外延生長出AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)[4]，室溫下2DEG遷移率只有620 cm2/Vs。 1993年他們進一步研制出國際上第一只GaN基HEMT器件[5]，由于異質(zhì)結(jié)構(gòu)2DEG遷移率較低，器件只有靜態(tài)特性，沒有微波特性。他們的工作開創(chuàng)了GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)及其電子器件研究。

高阻GaN外延層生長是獲得高質(zhì)量GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。如果異質(zhì)界面2DEG溝道下面的GaN層電阻不夠高，將會產(chǎn)生并行溝道，使電子器件的夾斷特性和頻率特性惡化。而外延生長的非故意摻雜GaN因點缺陷的存在一般呈n型，不能滿足GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)制備的需要。瑞典皇家理工學(xué)院Aggerstam等最早提出了摻Fe雜質(zhì)實現(xiàn)高阻GaN[6]?？紤]到MOCVD外延生長中Fe摻雜源關(guān)斷后的殘留效應(yīng)，僅在1/3厚度GaN中摻Fe，以保證AlGaN/GaN異質(zhì)界面處沒有Fe雜質(zhì)殘留。采用這種方法實現(xiàn)的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)既沒有并行溝道，也基本避免了 Fe雜質(zhì)的散射，2DEG室溫遷移率提高到了1720 cm2/Vs[6]。這一高阻GaN外延方法目前已在GaN基微波功率器件研制中被廣泛采用。 但是強電場下GaN中Fe的穩(wěn)定性不夠好，而需要承受高壓的GaN基功率電子器件中存在強電場。加拿大微觀結(jié)構(gòu)科學(xué)研究所的Webb等在分子束外延(MBE)中以CH4作為摻雜源發(fā)展了C摻雜實現(xiàn)高阻GaN的方法[7]，電阻率達106?·cm[7]。由于C雜質(zhì)在強電場下比Fe雜質(zhì)穩(wěn)定，摻C實現(xiàn)高阻GaN在GaN基功率電子器件研制中獲得了廣泛使用。2007年，北京大學(xué)許福軍等采用MOCVD位錯自補償方法也實現(xiàn)了高阻GaN外延生長[8,9]，如圖2所示，GaN薄膜方塊電阻最高超過了1011?/sq,表面平整度可保持在0.16 nm，在此高阻GaN薄膜上制備出了高質(zhì)量AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)。

圖2.GaN外延薄膜方塊電阻(Rs)、刃型位錯（ETD）密度、螺型位錯（STD）密度隨MOCVD外延生長中成核層退火壓力的變化規(guī)律[8]。

2001年，美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的 Hsu等提出在 AlGaN/GaN異質(zhì)界面采用一層很薄的 AlN插入層 (interlayer)[10]，如圖 3所示，該插入層可顯著改善AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中2DEG的輸運性質(zhì)。UCSB的Shen等人實驗確認采用這一方法，2DEG室溫遷移率可超過 2000 cm2/Vs[11?12]。他們的工作大大推動了GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料質(zhì)量的改善和HEMT器件性能的提升。日本名古屋工業(yè)大學(xué) Miyoshi等對AlN插入層的功能進行了詳細分析[13]，確認1 nm厚的AlN插入層可顯著改善異質(zhì)結(jié)構(gòu)中2DEG輸運性質(zhì)的原因主要有：(1)AlN將溝道中的2DEG與三元合金AlGaN勢壘隔開，而且AlN與GaN的導(dǎo)帶階躍更大，大大提高了電子向AlGaN層中隧穿的勢壘高度，降低了隧穿幾率，從而顯著降低了溝道電子受到的合金無序散射；(2)由于AlN插入層很薄，在GaN外延層生長時，不會因為大晶格失配出現(xiàn)晶格馳豫使界面變得粗糙，因此在減少合金無序散射的同時，并沒有增加界面粗糙度散射，從而2DEG的遷移率可大幅提高。

無疑增加 AlGaN勢壘層中 Al組分能有效提高 AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的勢壘高度，從而增強對2DEG的量子限制效應(yīng)。然而在MOCVD外延生長過程中，由于 Al原子的表面遷移困難，會使 Al-GaN勢壘層隨Al組分提高出現(xiàn)質(zhì)量下降現(xiàn)象，從而對2DEG的散射增強。另一方面，Al組分的增加會提高AlGaN勢壘層的合金無序程度，從而增加合金無序散射。因此，對AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)而言，AlGaN勢壘層中Al組分存在一個最佳范圍，大量實驗確認這個范圍為0.2～0.3之間，對應(yīng)的勢壘層厚度最佳范圍為15～25 nm,這樣的組份和厚度一般不會引起勢壘層的應(yīng)變弛豫。

圖3.有AlN插入層（Interlayer）的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)示意圖[10]。

B.SiC襯底上GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)的外延生長

由于SiC的熱導(dǎo)率遠大于GaN、Si和藍寶石，應(yīng)用于相控陣雷達和室外移動通訊基站的高功率 GaN基微波器件必須采用SiC襯底，以提高器件的散熱特性，降低器件結(jié)溫。隨著 SiC單晶生長技術(shù)的進步，目前3～4英寸SiC單晶襯底已廣泛使用于GaN基微波功率器件研制，6英寸SiC單晶襯底在國際上也已開始使用。

SiC襯底上GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)外延生長遇到的主要問題有：(1)由于GaN在SiC襯底上的浸潤性很差，很難成核，直接在SiC上生長的高溫GaN一直處于島生長狀態(tài)，很難合并成二維臺階流生長，表面十分粗糙；(2)由于SiC的熱膨脹系數(shù)（4.2×10?6K?1）小于 GaN（5.6×10?6K?1），當外延片從高溫生長溫度降至室溫過程中，GaN將受到來自SiC襯底的張應(yīng)力，容易產(chǎn)生裂紋?？紤]到Al原子在SiC表面有很好的粘附性，SiC襯底上外延GaN一般先選用AlN或者AlGaN作為成核層，它們不僅能促進成核，還能夠在生長過程中引入壓應(yīng)力，從而平衡降溫過程中的張應(yīng)力，防止外延層龜裂。1995年，美國北卡羅來納州立大學(xué)Weeks等在6H-SiC襯底上用AlN作為成核層，得到了表面光滑平整的 GaN外延薄膜[14]。1999年，法國CNRS的Lahreche等采用AlGaN成核層生長出高質(zhì)量GaN[15]，并比較了與AlN成核層的差異。比利時IMEC的Boevkens等在4H-SiC襯底上用 AlGaN作為成核層[16]，發(fā)現(xiàn)至少需要生長 250 nm厚度的成核層，后續(xù)外延的GaN才不會出現(xiàn)裂紋。2010年，我國山東大學(xué)徐現(xiàn)剛等通過優(yōu)化AlN緩沖層溫度，在6H-SiC襯底上生長了4.5μm無龜裂GaN外延薄膜[17]，XRD搖擺曲線(002)和(102)半峰寬分別為159′′和194′′。2015年，瑞典Link¨oping大學(xué)課題組對SiC襯底在高溫下進行H2預(yù)期處理再外延GaN[18]，也獲得了1.6μm厚高質(zhì)量GaN外延層，XRD搖擺曲線(002)和(102)半峰寬分別達到149′′和194′′。

由于晶格失配較小，相對于Si和藍寶石襯底，一旦解決了浸潤層和龜裂問題，SiC襯底上GaN晶體質(zhì)量更好，因而SiC襯底上GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)2DEG的輸運性質(zhì)也更好。UCSB、Link¨oping大學(xué)等國際上多個研究機構(gòu)，以及Cree、TriQuint/RFMD、Fujitsu、IAF等美、日、歐知名的化合物半導(dǎo)體公司均已開展 SiC襯底上 GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)外延生長和微波功率器件研究多年， 多個研究機構(gòu)和公司的 SiC襯底AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)2DEG室溫遷移率普遍超過2000 cm2/Vs[19?21]，2007年我國中科院半導(dǎo)體所王曉亮等研制的SiC襯底AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)2DEG室溫遷移率達到了2215 cm2/Vs[22]，隨后國內(nèi)多所大學(xué)和研究機構(gòu)，如中電集團13所、55所、西安電子科技大學(xué)、北京大學(xué)、中科院物理所等也可以制備出高質(zhì)量的SiC襯底AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。

C.晶格匹配InAlN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的外延生長

為了使GaN基HEMT器件達到超高頻率，如毫米波、太赫茲波段的應(yīng)用要求，需要進一步降低異質(zhì)結(jié)構(gòu)勢壘層厚度來避免短溝道效應(yīng)。但是AlGaN勢壘層厚度降到10 nm以下時，2DEG密度會隨厚度減小急劇下降，這一因素限制了AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)在超高頻電子器件上的應(yīng)用潛力。

2001年，斯洛伐克科學(xué)院 Kuzm′?k首先提出利用In組分0.17～0.18、與GaN晶格匹配的InAlN合金代替 AlGaN作為異質(zhì)結(jié)構(gòu)勢壘層[23]，雖然沒有了壓電效應(yīng)， 但很強的自發(fā)極化效應(yīng)使超薄勢壘層的InAlN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)依然具有很高的2DEG密度（可達到3×1013cm?2）。同時，InAlN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)具有較大的導(dǎo)帶階躍，可以增強2DEG的空間量子限制效應(yīng)。

2006年，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院 (EPFL)Gonschorek等成功地外延生長出較高質(zhì)量的InAlN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)[24]，室溫下2DEG面密度2.6×1013cm?2，遷移率達1170 cm2/Vs。2008年，該課題組制備的3 nm超薄勢壘層InAlN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)2DEG面密度達到 1.0×1013cm?2[25]。2014年，UCSB研究組在GaN自支撐襯底上外延的InAlN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)室溫下2DEG遷移率達到1800 cm2/Vs[26]，方塊電阻低至123 ?/?，用其制備的HEMT器件飽和輸出電流密度達到1 A/mm。2015年，我國中電集團13所房玉龍等外延生長出3 nm厚勢壘層的InAlN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)，室溫2DEG遷移率達到2175 cm2/Vs[27]，面密度為1.39×1013cm?2。2015年，北京大學(xué)桑玲等通過界面控制和位錯抑制，將InAlN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)室溫2DEG遷移率進一步提高到了2220 cm2/Vs[28]，面密度為1.25×1013cm?2。該課題組苗振林等經(jīng)過量子輸運測量，測定InAlN/GaN異質(zhì)界面量子阱中第一和第二子帶上的 2DEG面密度分別為 1.92×1013cm2和1.67×1012cm?2，兩個子帶的能量差高達191 meV，遠大于AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)[29]。由于晶格匹配 InAlN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料質(zhì)量的進步， 2013年美國圣母大學(xué)Grace Xing等研制的InAlN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)HEMT器件截止頻率達到了400 GHz[30]。但目前InAlN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料質(zhì)量與AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)相比，依然還有較大差距，制備的器件柵漏電比較嚴重，輸出功率密度較低。

另外，具有超薄勢壘層的AlN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)也可以避免短溝道效應(yīng)，用于研制毫米波、THz波段的超高頻電子器件。2013年美國 HRL實驗室研制的AlN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)HEMT器件截止頻率超過了 450 GHz[31]。 類似于 InAlN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)，目前AlN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料質(zhì)量在2DEG遷移率以及低阻值歐姆接觸等方面與AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)相比也還有較大差距，相關(guān)工作需進一步深入。

D.Si襯底上GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)的外延生長

Si襯底上GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)的外延生長和功率電子器件研制是近幾年國際上GaN基寬禁帶半導(dǎo)體領(lǐng)域的研究熱點之一。采用Si襯底的主要原因是材料和器件成本的考慮。盡管GaN基功率電子器件相對廣泛使用的Si器件節(jié)能效益明顯，器件其他性能優(yōu)勢也很突出。但目前GaN基功率電子器件制備成本相對于Si器件依然非常昂貴。解決成本問題的唯一出路是采用Si襯底外延生長GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)，然后用生產(chǎn)Si器件的互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝來制備GaN基器件，從而使器件性價比可優(yōu)于 Si器件。另外，目前大尺寸Si晶片材料已經(jīng)非常成熟，如采用 6～8英寸Si襯底，GaN的MOCVD外延成本可大幅降低。但Si襯底外延GaN的難度遠高于SiC和藍寶石襯底。GaN晶體(0001)面和Si晶體(111)面的晶格失配高達16.9%，熱膨脹系數(shù)失配（熱失配）更是高達56%，因此，Si襯底上外延生長GaN及其異質(zhì)結(jié)構(gòu)在應(yīng)力控制和缺陷控制上面臨嚴峻的挑戰(zhàn)。

表I.Si襯底上AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)2DEG室溫遷移率國際對比

圖4.Si襯底上外延生長 GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)的兩種主流技術(shù)路線。(a)以比利時IMEC為代表的Al組分梯度漸變多層AlGaN緩沖層方法樣品結(jié)構(gòu)示意圖[33]，(b)以日本NTT為代表的AlN/GaN超晶格緩沖層方法樣品結(jié)構(gòu)示意圖[34]。

經(jīng)過多年探索，國際上先后發(fā)展了低溫AlN插入層[32]，梯度漸變AlGaN緩沖層[33]、AlN/GaN超晶格緩沖層[34]等基于柔性襯底物理思想的 Si襯底 GaN外延生長方法。1999年，日本名古屋大學(xué)Ishikawa等在AlN成核層與GaN之間插入250 nm的AlGaN緩沖層[35]，第一次在 Si襯底上實現(xiàn)了 1μm 厚無龜裂的GaN外延薄膜。2000年，德國馬德堡大學(xué) Krost課題組采用低溫AlN插入層方法實現(xiàn)了Si襯底上超過 1μm厚的無龜裂 GaN外延生長[32]。2011年他們進一步采用6層低溫AlN插入層方法使無龜裂GaN外延層厚度達到了 14.3μm[36]。 2009年，日本名古屋工業(yè)大學(xué)課題組采用AlN/GaN超晶格緩沖層方法，在4英寸Si襯底上生長了厚度達9μm的無龜裂GaN外延層[37]。目前國際上形成了以比利時IMEC為代表的Al組分梯度漸變多層AlGaN緩沖層方法，和以日本NTT為代表的AlN/GaN超晶格緩沖層方法制備Si襯底上GaN的兩種主流技術(shù)路線，如圖4所示。

近幾年，國際上 Si襯底 GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料晶體質(zhì)量和電學(xué)性質(zhì)提升很快，高阻 GaN外延層的 XRD搖擺曲線半高寬 (002)和 (102)可分別小于400和600 arcsec，非高阻GaN外延層(002)搖擺曲線半高寬可降到300 arcsec以下。國際上多個課題組實現(xiàn)了2DEG室溫遷移率超過2000 cm2/V·s的高質(zhì)量Si襯底AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)，相關(guān)國際對比和參考文獻出處見表I。同時Si襯底上GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)的外延尺寸不斷增大，外延片直徑已經(jīng)從2～4英寸擴大到了6～8英寸。

2015年，北京大學(xué)程建朋等發(fā)展了擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的一種大晶格失配誘導(dǎo)應(yīng)力調(diào)控方法外延生長Si襯底上GaN[38?39]，即采用單層低Al組分AlGaN為控制層，同時實現(xiàn)對Si襯底上GaN外延層的應(yīng)力控制和位錯抑制，在4～6英寸Si襯底上外延生長出高質(zhì)量的無龜裂GaN，實驗確認大部分刃型位錯在AlN和低Al組分AlGaN界面處發(fā)生轉(zhuǎn)彎或湮滅，進一步外延生長的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)室溫2DEG遷移率達到了2240 cm2/Vs，面密度7.7×1012cm?2.室溫下異質(zhì)結(jié)構(gòu)方塊電阻均勻性為1.3%。

隨著Si襯底上GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)外延質(zhì)量的不斷改善，近年來國際上Si襯底GaN基功率電子器件的性能也不斷提升，已實現(xiàn)了比導(dǎo)通電阻為1.6 m?·cm2，耐壓為 1900 V 的耗盡型器件，以及比導(dǎo)通電阻為 1.48 m?·cm2，耐壓為 705 V的增強型器件[40]。日本Panasonic和美國Transphorm、EPC等公司先后推出了200～600 V等級的GaN基功率電子器件試用產(chǎn)品，示范應(yīng)用包括電動汽車，分布式光伏發(fā)電、大數(shù)據(jù)中心和無線充電等需要高效電源管理的領(lǐng)域。但迄今為止，Si襯底上GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)的材料質(zhì)量和電學(xué)性質(zhì)與已經(jīng)比較成熟的藍寶石、SiC襯底上異質(zhì)結(jié)構(gòu)相比，依然存在明顯差距，特別是Si襯底上GaN外延片可觀的殘余應(yīng)力、局域陷阱態(tài)及其帶來的材料、器件可靠性問題還相當嚴重，應(yīng)力和缺陷控制問題尚沒有根本解決。如何研究制備出更高質(zhì)量的 Si襯底上GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)，依然是當前該領(lǐng)域高度關(guān)注的核心問題之一。

III.GAN基半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的物理性質(zhì)

A.GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本物理性質(zhì)

GaN基半導(dǎo)體被認為是最適合于高溫、高頻、高功率電子器件的優(yōu)選半導(dǎo)體材料體系，這是由其一系列優(yōu)異物理性質(zhì)決定的。表II列出了主要的電子器件用半導(dǎo)體材料的一些基本物理性質(zhì)[41?45]，可以對比發(fā)現(xiàn)GaN基材料獨具的優(yōu)異特性。

表II.常見電子器件用半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)對比

第一，GaN基半導(dǎo)體非常大的禁帶寬度。決定半導(dǎo)體器件輸出功率和最高工作溫度的主要因素之一是材料的禁帶寬度。GaN的禁帶寬度遠大于Si和GaAs，因而 GaN基材料在高溫和高輻射的情況下本征激發(fā)載流子較少，對研制高溫、大功率器件非常有利。理論計算表明 GaN基器件的最高有效工作溫度可達900?C[46]。實驗也表明基于AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的HEMT器件在500?C時依然有很好的微波放大性能[47]。此外，高工作溫度有利于大大降低功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中冷卻系統(tǒng)的負擔，易于實現(xiàn)輕量化、小型化和高集成度。

第二，GaN和 AlGaN合金之間很大的導(dǎo)帶階躍(?EC)。由于均為六方晶體結(jié)構(gòu)，GaN和AlGaN合金之間可以形成高晶體質(zhì)量的半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)，從而在異質(zhì)界面形成具有高遷移率的2DEG。這是GaN基材料在電子器件應(yīng)用上相對于另一類寬禁帶半導(dǎo)體材料SiC的最大優(yōu)勢。更加重要的是GaN和AlN之間禁帶寬度差異很大，而且理論計算表明禁帶寬度差異的75%以上落在導(dǎo)帶上[48]。因此，AlGaN/GaN異質(zhì)界面 ?EC遠大于 AlGaAs/GaAs界面。例如：室溫下 AlN/GaN異質(zhì)界面禁帶寬度差異為 2.8 eV， AlAs/GaAs界面禁帶寬度差異僅為0.75 eV，相差接近4倍。這一特點決定了AlGaN/GaN異質(zhì)界面三角形量子阱遠比AlGaAs/GaAs界面深。

第三，GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)中非常強的自發(fā)和壓電極化效應(yīng)[49]。這也是GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)最為顯著的特點。理論計算表明當AlGaN合金中的Al組份大于0.2時，異質(zhì)界面壓電極化電場高于106V/cm[50]。極化效應(yīng)對異質(zhì)界面能帶產(chǎn)生極強的調(diào)制，導(dǎo)致垂直于異質(zhì)界面方向上1.0 nm的空間間距就會產(chǎn)生大于0.1 eV的導(dǎo)帶彎曲。由于AlGaAs/GaAs異質(zhì)結(jié)構(gòu)中不存在極化效應(yīng)，這種極化效應(yīng)的巨大差異導(dǎo)致AlGaN/GaN異質(zhì)界面的能帶彎曲遠大于AlGaAs/GaAs界面，進而前者異質(zhì)界面三角形量子阱遠深于后者。因此，即使不采用勢壘層調(diào)制摻雜，AlGaN/GaN異質(zhì)界面的2DEG面密度也可高達 1013cm?2量級，比 AlGaAs/GaAs大5～10倍。而HEMT器件的輸出功率密度顯著依賴于異質(zhì)結(jié)構(gòu)的2DEG密度。

第四，GaN基半導(dǎo)體非常高的臨界擊穿電場。這一特性對于功率電子器件至關(guān)重要，是決定器件最大功率處理能力的基本參量。GaN的臨界擊穿電場大于3×106V/cm[51]，比Si和GaAs大得多，AlGaN合金的臨界擊穿電場又高于GaN。

第五，GaN基半導(dǎo)體非常高的飽和電子漂移速度。實驗表明 GaN的飽和電子漂移速度約為 3.0×107cm/s，而Si和GaAs分別為1.0×107cm/s和2.0× 107cm/s[52]。在高頻器件中電流增益特征頻率和電子渡越時間成反比，飽和漂移速度直接影響電子器件的頻率特性，因此具有高飽和漂移速度的GaN基材料擁有很好的高頻特性。此外，GaN基半導(dǎo)體還具有很低的介電常數(shù)、比較高的熱導(dǎo)率，都非常有利于高功率、高頻電子器件研制。

B.GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)2DEG的高場輸運性質(zhì)

影響GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)中2DEG遷移率的散射機制主要包括合金無序散射，離化雜質(zhì)散射，界面粗糙度散射，聲學(xué)聲子散射（包括形變勢散射和壓電散射），以及極化光學(xué)聲子散射等。隨著外延方法的不斷改進，藍寶石、SiC、Si等不同襯底上GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)性能不斷改善，室溫2DEG遷移率（也可稱為低場遷移率）均已突破2000 cm2/Vs[38,53?54]。

圖5.高電場下，GaN中電壓控制型負微分電導(dǎo)效應(yīng)在數(shù)十ns時間內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏骺刂菩拓撐⒎蛛妼?dǎo)效應(yīng)[55]。

然而，隨著電子器件特征尺寸不斷縮小，溝道中的電場不斷增加，強電場下GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)中2DEG的輸運行為對器件性能的影響日趨明顯，發(fā)展到當今的GaN基電子器件工作性能更多地取決于高場條件下非平衡載流子（熱電子）的輸運行為。相關(guān)研究表明高電場下熱電子的能量耗散是決定其漂移速度的關(guān)鍵因數(shù)，受熱聲子效應(yīng)影響，GaN中實際能夠?qū)崿F(xiàn)的電子最高漂移速度遠低于理論預(yù)期[55]。北京大學(xué)馬楠等對這一問題進行了持續(xù)的研究，他們運用自行設(shè)計并搭建的高場測量設(shè)備，與中電集團13所合作，系統(tǒng)研究了GaN基材料的高場輸運性質(zhì)，觀察到了GaN中由耿氏不穩(wěn)定性導(dǎo)致的電流控制型負微分電導(dǎo)效應(yīng)[55]，結(jié)果如圖 5所示。馬楠等結(jié)合樣品結(jié)構(gòu)設(shè)計，進一步觀察到高場下GaN溝道中電子漂移速度的尺寸效應(yīng)[56]，即在微米到數(shù)十微米的尺度范圍內(nèi)，較窄溝道中的電子漂移速率更快，結(jié)果如圖6所示。結(jié)合理論計算確認此效應(yīng)與熱電子在高場下的能量弛豫和動量弛豫機制有關(guān)，據(jù)此提出了在GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)中有效提高電子漂移速度的途徑。最近，北京大學(xué)郭磊等進一步發(fā)現(xiàn)通過光照方法，可把 GaN溝道中電子漂移速度從1.4×107cm/s提高至2.0×107cm/s[57]，進一步實驗確認，由于空穴和晶格之間的強耦合作用使空穴在高場下難以被加速，其能量（溫度）低于熱電子而成為“冷”空穴，通過電子和空穴之間的能量轉(zhuǎn)移過程，這種“冷”空穴可以加速高場下熱電子的能量弛豫，進而提高高場下的電子漂移速度。

C.GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)2DEG的量子輸運性質(zhì)

在半導(dǎo)體物理研究中，磁輸運（量子輸運）測量一直是研究半導(dǎo)體低維量子體系精細能帶結(jié)構(gòu)、電子態(tài)占據(jù)狀態(tài)和載流子散射機制的主要研究手段之一。通過改變溫度﹑磁場、光照等外加條件，可以獲得豐富的半導(dǎo)體低維量子體系輸運信息。

圖6.GaN溝道中電子漂移速度的尺寸效應(yīng)，寬溝道中電子漂移速度低于于窄溝道[56]。 左圖是電子漂移速度隨場強的變化關(guān)系，右圖是電子溫度隨場強的變化關(guān)系。Group A表示寬溝道樣品，溝道寬度～10μm，Group B表示窄溝道樣品，溝道寬度～μm。

圖7.實驗觀測到的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中SdH振蕩的雙周期現(xiàn)象（左）及其對應(yīng)的異質(zhì)界面量子阱中雙子帶占據(jù)示意圖（右）[58]

AlGaN/GaN是迄今GaN基電子器件研制最重要的異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，對其異質(zhì)界面量子阱中子帶占據(jù)和散射的研究對于提升器件性能非常重要，我國科學(xué)工作者在這方面做了較為系統(tǒng)的研究。2000年，南京大學(xué)鄭澤偉等首次觀察到了AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中舒伯尼科夫—德哈斯(SdH)振蕩的雙周期現(xiàn)象[58]，如圖 7所示，揭示了異質(zhì)界面量子阱的雙子帶占據(jù)行為。他們進一步發(fā)現(xiàn)當異質(zhì)結(jié)構(gòu)中 2DEG面密度達到7.3×1012cm?2時，異質(zhì)界面量子阱中的第二子帶開始被2DEG占據(jù)，并確定界面量子阱中第一子帶和第二子帶之間的能量間距為75 meV。隨后，同課題組進一步用遷移率譜方法測定了第一子帶和第二子帶上載流子不同的遷移率和量子散射時間[59]。中科院上海技物所蔣春萍等對不同勢壘厚度AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中2DEG量子輸運性質(zhì)進行了系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)當勢壘層厚度超過25 nm后，部分的晶格弛豫造成2DEG量子輸運性質(zhì)的惡化[60]。北京大學(xué)的唐寧等在雙子帶占據(jù)的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中觀察到子帶間散射引起的磁電阻振蕩[61]，如圖8所示，其振蕩幅度隨溫度上升而略有減小，振蕩的頻率為兩個子帶SdH振蕩頻率之差。

圖8.不同溫度下AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中子帶間散射引起的磁電阻振蕩頻率的變化[61]

AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中2DEG密度很高，電子被限制在距離界面數(shù) nm的區(qū)域，在此情況下，合金無序散射和界面粗糙度散射成為影響 2DEG遷移率的主要散射機制。實驗發(fā)現(xiàn)隨著 2DEG密度的提高，異質(zhì)界面量子阱中的高階子帶被電子占據(jù)，這時第二子帶上的電子相對于第一子帶離界面較遠，因而第一子帶中電子受到的合金無序散射和界面粗糙度散射明顯大于第二子帶中的電子，因而遷移率小于第二子帶中的電子[58]，異質(zhì)界面2DEG的總遷移率也會降低。北京大學(xué)劉思東等研究了以AlN/GaN超晶格替代高Al組分AlGaN為勢壘的GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)中 2DEG的量子輸運性質(zhì)[62]，異質(zhì)結(jié)構(gòu)中 2DEG面密度可達 2×1013cm?2，第一子帶和第二子帶能級間距高達180 meV，遠大于通常的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)。這樣的異質(zhì)結(jié)構(gòu)中沒有合金無序散射，界面粗糙度散射是決定 2DEG遷移率的最主要散射機制。量子輸運實驗表明AlN/GaN超晶格替代高Al組分AlGaN勢壘，可以在進一步提高2DEG密度的同時，保持2DEG較高的遷移率。

D.GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)2DEG的本征自旋性質(zhì)

以電子自旋自由度為基礎(chǔ)的自旋電子學(xué)器件以速度快、功耗低、集成度高等優(yōu)點，在未來的信息技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。GaN基半導(dǎo)體具有較長的自旋馳豫時間和高于室溫的居里轉(zhuǎn)變溫度，同時GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)具有很強的極化電場，導(dǎo)致了較強的自旋軌道耦合。因此，GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)是研制自旋場效應(yīng)晶體管富有競爭力的材料體系之一。

材料的有效g因子是決定磁場中塞曼自旋分裂能譜的重要參數(shù)。Knap等人通過AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)磁輸運測量得到的有效g因子為g?=2.00±0.08[63]，隨后得到的結(jié)果為 g?=2.06±0.04[64]。北京大學(xué)的唐寧等也通過磁輸運測量研究了AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中2DEG的塞曼自旋分裂[65]，發(fā)現(xiàn)由于交換相互作用，g?有了顯著的增加。隨后該課題組盧芳超等制作出AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)量子點接觸器件結(jié)構(gòu)，用低溫磁輸運研究了量子點接觸中各向異性的塞曼分裂[66]，測量所得的g?遠大于常規(guī)2DEG體系，它們隨子帶數(shù)的減少、溝道的變窄而逐漸增大。分析確認量子點接觸結(jié)構(gòu)中g(shù)?的各向異性和異常增大與該結(jié)構(gòu)中自旋軌道耦合和電子交換相互作用隨維度的變化有關(guān)。

Rashba自旋軌道耦合效應(yīng)所調(diào)制的零場自旋分裂是實現(xiàn)自旋場效應(yīng)晶體管的主要物理基礎(chǔ)。根據(jù)Rashba理論，自旋軌道耦合系數(shù)和電場成正比，與有效質(zhì)量和禁帶寬度成反比[67]。GaN帶隙比較寬，不利于零場自旋分裂的產(chǎn)生。但是AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)有很強的極化感應(yīng)電場和很高的2DEG密度，強電場可以增強自旋軌道相互作用，使導(dǎo)帶能級的自旋簡并度解除，高密度載流子也有利于自旋分裂[68]，因此寬帶隙的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中也能觀察到相當大的零場自旋分裂。日本NTT的Tsubaki等首先用SdH方法觀測到了AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中2DEG的零場自旋分裂[69]，得到的自旋分裂能量為 2.7～3.6 meV，自旋軌道耦合系數(shù)α為2.2×10?12eV·m。 隨后北京大學(xué)的唐寧等用SdH方法在只有一個子帶被占據(jù)、Al組分0.11的低Al組分AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中也得到類似的結(jié)果[70]，如圖 9所示，說明低 Al組分異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的極化電場已足以產(chǎn)生相當大的自旋分裂，同課題組進一步測定了自旋軌道耦合系數(shù)α隨異質(zhì)結(jié)構(gòu) Al組分（這里可轉(zhuǎn)化為極化電場大?。┑淖兓?guī)律[71]。臺灣大學(xué)的 Cho和唐寧等用持續(xù)光電導(dǎo)方法改變異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的電場，從SdH振蕩的變化中觀測電場對自旋分裂的調(diào)控規(guī)律[72?73]，證明 Rashba效應(yīng)是AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中2DEG零場自旋分裂的主要來源，并且能夠被外加?xùn)艍赫{(diào)制，由此證明從Rashba效應(yīng)的調(diào)控角度講，AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)在自旋電子學(xué)器件上有著很好的應(yīng)用前景。

圖9.自旋分裂引起的的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中2DEG磁阻的拍頻振蕩（左）及其傅里葉轉(zhuǎn)換圖譜（右）[70]

自旋光電流效應(yīng)是研究半導(dǎo)體中自旋注入及自旋極化的常用方法。由于角動量守恒，圓偏振光在半導(dǎo)體材料中將引起載流子的自旋不平衡分布，從而引起自旋光電流效應(yīng)。北京大學(xué)湯一喬等與中科院半導(dǎo)體所陳涌海課題組合作，首先在室溫下觀測到了 AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中圓偏振自旋光電流效應(yīng) (CPGE)[74]。北大同課題組賀小偉等人測量發(fā)現(xiàn)AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的CPGE電流隨外加應(yīng)力呈線性變化[75]，如圖 10所示，確認在該型異質(zhì)結(jié)構(gòu)中Rashba自旋軌道耦合大于Drasselhaus自旋軌道耦合，兩者的比例為16:1。同組尹春明等進一步發(fā)展了這一工作，測量了不同Al組分AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中Rashba/Dresselhaus系數(shù)之比[76]。

圖10.AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中CPGE電流隨外加應(yīng)力的變化[75]。左圖是不同應(yīng)力下CPGE電流的測量曲線，右圖是CPGE電流隨外加應(yīng)力的變化關(guān)系。

根據(jù)半導(dǎo)體自旋電子學(xué)理論，自旋軌道耦合會引起自旋霍爾效應(yīng)和逆自旋霍爾效應(yīng)。通過自旋軌道耦合，電流能夠產(chǎn)生垂直電流方向的自旋流，反之自旋流可以產(chǎn)生垂直于其方向的電流[75]。由于這個重要的性質(zhì)，自旋霍爾效應(yīng)從提出起就受到了廣泛的關(guān)注。如圖11所示，北京大學(xué)的賀小偉等在AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)了反常CPGE(ACPGE)效應(yīng)[78]，這一室溫條件下觀測到的實驗結(jié)果可以運用逆自旋霍爾效應(yīng)獲得合理而唯一的解釋，因此AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中反常CPGE效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)可以被理解為少數(shù)室溫下可觀測到的由逆自旋霍爾效應(yīng)產(chǎn)生的物理現(xiàn)象之一。

圖11.AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中反常CPGE的觀測結(jié)果[78]。左圖表明垂直入射時可觀測到反常CPGE電流信號，且光斑在電極連線的中垂線上移動時，該流相對于光斑位置是奇對稱的。右圖是反常CPGE電流隨圓偏振光入射角度的化，0?角度（垂直入射）時反常CPGE電流最大。

同課題組尹春明等進一步研究了AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)光致反?；魻栃?yīng) (PIAHE)[79]。實驗中利用圓偏振光在樣品中形成不平衡的自旋極化，而通過外加電場使自旋極化電子往同一個方向漂移，從而形成穩(wěn)定的自旋流。測量得到AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中光致自旋霍爾電導(dǎo)率為 σAH=9.0×10?10??1，與理論計算吻合得很好。隨后，同組梅伏洪等提出了一種基于PIAHE和ACPGE研究自旋輸運的方法[80]，測定了AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中2DEG的自旋擴散系數(shù)和自旋霍爾遷移率比值。

半導(dǎo)體自旋電子學(xué)的發(fā)展目前還面臨著很大挑戰(zhàn)。要實現(xiàn)GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)在自旋電子學(xué)器件中的應(yīng)用，除了進一步對自旋輸運和自旋弛豫機制進行深入研究，還需要實現(xiàn)高的自旋注入效率。一旦實現(xiàn)了高效率的自旋注入，結(jié)合長的自旋弛豫時間，可被柵壓調(diào)控的自旋分裂等輸運性質(zhì)，GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)將會在自旋邏輯器件，量子存儲器件，量子計算等方面有著很好的應(yīng)用前景。

IV.GAN基半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電子器件應(yīng)用

A.GaN基電子器件研究概況

GaN基電子器件主要有場效應(yīng)晶體管(FET)，雙極型晶體管 (BJT)，和二極管三大類。國際上最受重視，發(fā)展最快的是GaN基FET，主要是GaN基異質(zhì)結(jié)FET(HFET，又稱為GaN基HEMT)，另外還有GaN基MESFET和GaN基MISFET。GaN基HEMT器件通過柵極電壓調(diào)控異質(zhì)界面的能帶彎曲，從而控制界面溝道中的 2DEG密度，達到調(diào)制源漏間電導(dǎo)的目的。GaN基HEMT，特別是基于Al-GaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的器件有一個顯著特點，就是異質(zhì)界面2DEG的面密度ns和遷移率μ的乘積ns×μ遠高于GaAs基 HEMT。同時，2DEG的高遷移率進一步拓展了GaN基HEMT的高頻功率應(yīng)用，目前器件工作頻率可達到～100 GHz的W波段。另一方面，2DEG的高輸運能力顯著降低了GaN基HEMT器件的源漏導(dǎo)通電阻 (ON-resistance)，具有很好的高頻電能轉(zhuǎn)換效率，因此GaN基HEMT器件在功率電子應(yīng)用中也非常具有競爭力。

隨著GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料外延質(zhì)量的不斷提升，GaN基電子器件研制近10年來取得了一系列突破。在微波功率器件領(lǐng)域，2004年及隨后幾年，美國UCSB的吳毅峰、張乃千等創(chuàng)新采用PECVD-SiNx鈍化技術(shù)和場板技術(shù)，使SiC襯底上GaN基HEMT在4GHz頻率下輸出功率密度超過了40W/mm[81]，這是迄今為止所報道的GaN基微波功率器件的最高輸出功率密度。同一課題組的Palacios等在2005年報導(dǎo)的GaN基HEMT器件在40 GHz下輸出功率密度達到了10.5 W/mm[82]。2012年美國HRL實驗室的Shinohara等研制出20 nm柵長的增強型GaN基HEMT，工作截止頻率達到 342 GHz，最高振蕩頻率 fmax高達 518 GHz[83]。在國內(nèi)，2011年,我國西安電子科技大學(xué)郝躍等在3 GHz頻率下實現(xiàn)了功率附加效率達73%的高性能MOS-HEMT器件[84]，這是迄今為止國際上所報道的GaN基微波器件的最高功率附加效率。近期，中電集團13所呂元杰等結(jié)合n型重摻GaN外延再生長歐姆接觸技術(shù)，研制出fT/fmax為149/263 GHz的GaN基HEMT器件，fT、fmax乘積為當前國際報道最高值。中電集團 55所吳少兵等采用新型電子束一次成型技術(shù)，研制的W波段GaN基微波功放芯片在92 G時的輸出功率密度達到3.46 W/mm，為目前國際報道最高值[85]。中科院微電子所也在 GaN基微波功率器件和模塊上做出了一系列有特色的研究工作。這些單位的工作對滿足國家重大需求做出了貢獻。

在功率電子器件領(lǐng)域，目前 Si襯底 GaN基 HEMT器件是主流研究方向[86]。盡管GaN基功率電子器件與微波功率器件都是基于GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)的HEMT，但功率電子器件有更為苛刻的要求。一方面，功率電子器件的耐壓要求在200 V以上乃至上千伏，而射頻器件的工作電壓在100 V以下，這不僅對 Si襯底 GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)外延質(zhì)量提出了更高要求，而且在器件的柵和場板結(jié)構(gòu)，表面鈍化質(zhì)量等方面也帶來了挑戰(zhàn)。2012年，美國HRL實驗室的Chu等采用原子層沉積(ALD)Al2O3柵介質(zhì)和復(fù)合柵源場板結(jié)構(gòu)研制出耐壓1200V的GaN基MIS-HEMT器件[87]，并獲得了較低的動態(tài)導(dǎo)通電阻。另一方面，微波射頻用GaN基HEMT器件是耗盡型的，而功率電子器件由于安全性要求，必須采用增強型結(jié)構(gòu)，即不施加?xùn)艍簳r柵下2DEG溝道是斷開的。目前制備增強型GaN基功率電子器件的方法主要有3種[88]：(1)采用柵槽刻蝕方法減薄AlGaN勢壘層以削弱異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的極化效應(yīng)，從而耗盡2DEG；(2)采用F離子注入在AlGaN勢壘層中引入電負性較強的間隙F?離子，利用其產(chǎn)生的電場來耗盡2DEG；(3)p型帽層方法，即通過在AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)上加一層p型GaN或者AlGaN，通過pn結(jié)形成的空間電荷區(qū)耗盡溝道中的2DEG。

雖然當前GaN基電子器件研制已取得了很大發(fā)展，并已在軍用和民用領(lǐng)域開始實際應(yīng)用。但依然還存在制約其性能和可靠性的一系列關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問題。這里討論的問題主要有：(1)增強型GaN基電子器件與異質(zhì)結(jié)構(gòu)能帶調(diào)制工程，(2)GaN基電子器件表面/界面局域態(tài)特性與調(diào)控，(3)GaN基器件中的深能級陷阱與強場下的性能退化。

B.增強型GaN基電子器件與異質(zhì)結(jié)構(gòu)能帶調(diào)制工程

高性能增強型器件的實現(xiàn)是GaN基電子器件的一大難題。從原理上講，GaN也可以和Si或SiC半導(dǎo)體一樣，在體材料上通過制備MOSFET結(jié)構(gòu)形成增強型器件。但異質(zhì)結(jié)構(gòu)中高密度2DEG是GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)勢，可以大幅降低電子器件的導(dǎo)通電阻。因此如何在具有高密度2DEG的異質(zhì)結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)增強型工作模式是近年及未來一段時間GaN基電子器件的研究焦點之一。

目前GaN基HEMT中實現(xiàn)增強型工作模式的方法主要有柵刻蝕、F離子注入、p型帽層三種方法，以及在電路模塊中采用的級聯(lián)方法[88]。前三種方法均是通過去除或耗盡柵極下異質(zhì)結(jié)構(gòu)中2DEG的途徑實現(xiàn)增強型，最后一種方法采用Si的MOSFET與耗盡型的GaN基 HEMT級聯(lián)實現(xiàn)增強型，在工作原理上與前三者完全不同，是一種電路技術(shù)。

柵刻蝕是國際上最早實現(xiàn)增強型GaN基HEMT的方法，利用刻蝕工藝，部分或全部去除柵下的 Al-GaN 勢壘層，削弱極化電場的作用，去除和降低 2DEG密度，進而實現(xiàn)增強型。由于在器件微加工過程中需要對AlGaN勢壘層進行減薄，ICP等干法刻蝕過程引起晶格的較大損傷，降低了增強型溝道的電子遷移率，導(dǎo)致增強型器件導(dǎo)通電阻上升。針對這一問題，韓國慶北大學(xué)和三星公司的聯(lián)合研究組采用TMAH濕法處理，可有效去除刻蝕表面的高缺陷層，明顯提升了溝道中載流子遷移率[89]。北京大學(xué)王野等發(fā)展了氧化加濕法腐蝕的數(shù)字化AlGaN勢壘層刻蝕方法，把增強型GaN器件MOS溝道中載流子的峰值場效應(yīng)遷移率提高到了 251 cm2/V·s[90]。全刻蝕AlGaN勢壘層之后形成的增強型溝道本質(zhì)上是MOS溝道，由于無法生長出像Si器件中近乎完美的SiO2介質(zhì)層，GaN基MOS溝道中載流子遷移率較低，制約了器件性能。近年國際上的發(fā)展趨勢是采用AlGaN勢壘層局部刻蝕，形成增強型2DEG溝道，即增強型MOS-HEMT器件，可提高溝道中的載流子遷移率。中科院微電子所黃森等采用高溫ICP刻蝕方法，有效減小了刻蝕損傷，把增強型溝道中載流子遷移率提高到600 cm2/V·s[91]。香港科技大學(xué)陳敬等通過在GaN溝道中引入AlN插入層，增強型溝道電子的峰值場效應(yīng)遷移率達1801 cm2/V·s[92]。但由于極化電場的影響，這種器件結(jié)構(gòu)難以同步實現(xiàn)3 V以上的閾值電壓。

GaN基半導(dǎo)體化學(xué)穩(wěn)定性好，難以被刻蝕。與此同時，由于在 GaN基半導(dǎo)體表面存在氧化層，基于 Cl基的等離子體刻蝕存在刻蝕速率不穩(wěn)定、刻蝕深度重復(fù)性差等問題。更為嚴重的是由于強極化電場，AlGaN勢壘層的能帶彎曲很劇烈，所保留的AlGaN勢壘層厚度決定了器件所能達到的閾值電壓。美國MIT的研究人員采用AlN插入層和SF6作為刻蝕氣體，利用AlF3不易揮發(fā)的特點，在n-GaN/AlN/GaN結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)了自停止刻蝕[93]。北京大學(xué)徐哲等發(fā)展了基于干法氧化加濕法腐蝕的自停止AlGaN勢壘層刻蝕方法，該方法有效提高了柵刻蝕的一致性[94]。同課題組林書勛等在此基礎(chǔ)上進一步發(fā)展了自停止、無等離子體、部分勢壘層刻蝕的方法[95]，如圖12所示，準增強型溝道的載流子遷移率提升到了1400 cm2/V·s，閾值電壓均勻性可保持在±0.1 V。

圖12.實現(xiàn)自停止/無等離子體/部分勢壘層刻蝕的 GaN基HEMT材料結(jié)構(gòu)（左） 和器件結(jié)構(gòu)（右）的TEM照片[95]

香港科大陳敬等提出的 F離子注入法是增強型 GaN基器件發(fā)展過程中富有特色的技術(shù)路線[88]。由于F離子具有較強的電負性，在離子注入或等離子體處理后進入勢壘層，形成帶負電的固定電荷，從而調(diào)制能帶結(jié)構(gòu)，耗盡溝道中2DEG，形成增強型器件。F離子的穩(wěn)定性是人們對這種方法最大的顧慮，后續(xù)的分子動力學(xué)模擬以及高溫、高場下的可靠性試驗表明F離子在適當?shù)臈l件下在GaN基半導(dǎo)體中可以保持較好的穩(wěn)定性。

p型帽層增強型GaN基器件從半導(dǎo)體器件的角度看屬于JFET器件結(jié)構(gòu)[96]，如圖13所示，該方法利用柵下的pn結(jié)耗盡2DEG，實現(xiàn)增強型工作。器件閾值電壓由 pn結(jié)的開啟電壓決定。由于器件結(jié)構(gòu)中存在pn結(jié)，可以利用其實現(xiàn)GaN基HEMT器件無法實現(xiàn)的功能，如緩沖層電導(dǎo)調(diào)制等[97]，這對電流坍塌有較好的抑制作用。目前該方法已被國際上多家電子器件公司，如Panasonic、EPC、GaN Systems等采用。該方法相對不足的是當柵壓擺幅增加時，存在pn結(jié)的正向?qū)娏?。另外，p型帽層外延生長過程中p型雜質(zhì)易于引起MOCVD生長系統(tǒng)的記憶效應(yīng)，使得GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)輸運性質(zhì)退化。

圖13.日本 Panasonic公司采用的 p型 AlGaN帽層增強型GaN基HEMT器件結(jié)構(gòu)示意圖[96]

Cascode級聯(lián)方法是從電路層次調(diào)整功率電子器件閾值電壓的電路技術(shù)[88]，由于其完全由Si基MOSFET決定閾值電壓和其他電路特性，GaN基器件只承擔阻斷功能，因此對GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料質(zhì)量要求和器件制備工藝要求均可以降低。不足的地方是封裝時的互聯(lián)使得器件寄生電感較大，影響了器件在高開關(guān)頻率下的應(yīng)用。同時Si器件的引入使得cascode的器件失去了GaN基電子器件可高溫工作的優(yōu)點，整個電路模塊工作溫度被限定在150?C以下。

C.GaN基電子器件表面/界面局域態(tài)特性與調(diào)控

無論是微波射頻還是功率電子應(yīng)用，GaN基HEMT器件一般會經(jīng)歷高漏極偏置OFF-state工作狀態(tài)，在該狀態(tài)下構(gòu)成柵極漏電的電子在柵邊緣高場作用下極易隧穿到AlGaN勢壘層的表面局域態(tài)上。另一方面，2DEG溝道下面的GaN緩沖層中的深能級陷阱態(tài)在高漏極偏置下也會由于準費米能級的變化被電子填充。當器件再次回到ON-state時，由于表面態(tài)或緩沖層中深能級的放電時間常數(shù)較長，跟不上器件工作的特征頻率，2DEG在較長時間內(nèi)處于部分耗盡狀態(tài)，最終導(dǎo)致器件的高場電流坍塌[98]。對GaN基微波功率器件，電流坍塌表現(xiàn)為DC-RF頻散，輸出功率嚴重壓縮。而對功率電子器件，電流坍塌則表現(xiàn)為動態(tài)導(dǎo)通電阻的明顯增大，在高速開關(guān)過程中器件的靜態(tài)能耗和動態(tài)損耗變大，造成電能轉(zhuǎn)換效率降低。為抑制GaN基HEMT表面局域態(tài)導(dǎo)致的電流坍塌，目前主要是采用CVD方法在HEMT表面沉積一層SiNx介質(zhì)層以鈍化表面局域態(tài)[99]。

另一方面，為了抑制GaN基HEMT肖特基柵極的漏電，人們會在柵金屬與AlGaN間插入一層高絕緣柵介質(zhì)制備成MIS-HEMT器件結(jié)構(gòu)，以滿足GaN基功率電子器件低漏電、高擊穿電壓的要求。ALDAl2O3和LPCVD-SiNx是目前GaN基MIS-HEMTs中采用的兩種主要柵介質(zhì)。柵介質(zhì)的引入可顯著抑制柵極正反向漏電，然而也帶來了界面局域態(tài)問題。柵介質(zhì)與AlGaN間的界面態(tài)分布很廣，特別是位于導(dǎo)帶以下1 eV左右的深能級，其電子發(fā)射時間常數(shù)在幾百秒甚至更長時間，在柵極開關(guān)過程中，這些深能級的充放電會導(dǎo)致嚴重的柵極閾值電壓不穩(wěn)定[100]。

因此，鈍化介質(zhì)和柵介質(zhì)與 AlGaN間的深能級表/界面局域態(tài)是導(dǎo)致GaN基HEMT和MIS-HEMT器件電流坍塌和閾值不穩(wěn)定性的主要因素。美國德克薩斯大學(xué)達拉斯分校 Hinkle等發(fā)現(xiàn)在含有 Ga元素的 III-V半導(dǎo)體材料表面,含有三價 Ga3+的自然氧化層是其表面費米釘扎的主要原因[101]。在纖鋅礦結(jié)構(gòu)Ga面GaN中,自然氧化所導(dǎo)致的表面Ga-O鍵被認為是表面/界面態(tài)的主要來源。香港科技大學(xué)楊樹等發(fā)展了一種原位低損傷GaN和AlGaN表面處理方法,如圖12所示。研究確認NH3/Ar/N2原位處理不僅能有效去除GaN表面的Ga-O鍵,而且充分的氮化處理能防止氧化物柵介質(zhì)淀積造成的表面再氧化[102]，這一方法將導(dǎo)帶下EC-0.3 eV到EC-0.78 eV范圍內(nèi)的界面態(tài)密度降到了2.0×1012cm?2eV?1。

圖14.香港科大發(fā)展的原位低損傷GaN表面處理過程示意圖[102]。先采用NH3/Ar遠程等離子體去除其表面的自然氧化層,然后進行N2等離子體處理補償近表面的N空位,緊接著淀積一層ALD-Al2O3介質(zhì)。

盡管界面氮化插入層方法在降低GaN基功率電子器件界面態(tài)上取得了顯著進展,然而相對于Si/SiO2系統(tǒng)，介質(zhì)層/GaN或AlGaN界面態(tài)密度仍然偏高.同為氧化成鍵，Si與高溫本征氧化層 SiO2間的界面態(tài)密度可以低到 1011cm?2eV?1量級，而GaN上高質(zhì)量本征氧化層很難獲得.因此需要從GaN基半導(dǎo)體獨特的強極化特性，以及界面原子結(jié)構(gòu)等微觀層面切入，來深入探討GaN基器件表面/界面態(tài)起源的物理原因和調(diào)控方法。

D.GaN基器件中的深能級陷阱與強場下的性能退化

GaN基半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的一大優(yōu)勢是高擊穿場強，理論計算其臨界擊穿電場高于3 MV/cm，是Si器件的10倍，因此高工作電壓是GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料和器件的一大優(yōu)勢。但迄今為止，由于GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)是不同襯底上的異質(zhì)外延方法所制備，晶體中缺陷密度高，GaN基器件還不具備真正的雪崩能力，軟擊穿依然是器件失效的主導(dǎo)原因。前幾年研究發(fā)現(xiàn)柵極反向隧穿漏電[103]或者表面hopping[104]是GaN基電子器件的擊穿機制，擊穿電場較低。近幾年隨著異質(zhì)結(jié)構(gòu)外延質(zhì)量和器件微加工技術(shù)的不斷改進，GaN基電子器件的有效擊穿電場已提高到接近2 MV/cm[105]。

由于GaN基HEMT是多子器件，異質(zhì)結(jié)構(gòu)中需要采用高阻GaN緩沖層。非故意摻雜引入的O等雜質(zhì)導(dǎo)致非故意摻雜GaN呈n型，在未充分補償?shù)臈l件下器件易于穿通[106]，引起源端注入導(dǎo)致的三端擊穿[107]。如何補償施主雜質(zhì)而不引起明顯的局域態(tài)陷阱效應(yīng)是實現(xiàn)高質(zhì)量、高阻GaN緩沖層的關(guān)鍵。由于GaN基微波功率器件的工作電壓當前仍限制在50 V以下，目前采用Fe摻雜實現(xiàn)半絕緣GaN緩沖層的方法已可滿足微波功率器件的應(yīng)用需求。

但GaN基功率電子器件對GaN緩沖層的要求苛刻得多，國際上一般采用 C雜質(zhì)補償方法實現(xiàn)半絕緣GaN緩沖層，雜質(zhì)的引入在提高耐壓的同時引起了各種局域態(tài)陷阱效應(yīng)。一般認為在高電場下，電子通過隧穿或者熱電子注入到緩沖層的陷阱中且不易回到2DEG溝道[108]，使得器件導(dǎo)通時的動態(tài)導(dǎo)通電阻增加，動態(tài)特性退化。迄今為止，人們對高阻GaN緩沖層中的局域態(tài)性質(zhì)以及高電場條件下局域態(tài)對溝道載流子的捕獲和釋放機制的研究還比較欠缺，甚至對C雜質(zhì)在GaN中行為的理解也不充分，主要原因是GaN的禁帶寬度大、2DEG溝道和陷阱態(tài)在實空間上分離、以及GaN緩沖層的高阻性質(zhì)，使得常規(guī)的半導(dǎo)體局域態(tài)研究方法難以直接獲得高阻緩沖層中陷阱態(tài)的相關(guān)物理信息。意大利Podova大學(xué)的研究人員在這方面開展了較系統(tǒng)的工作，發(fā)現(xiàn)緩沖層中引起動態(tài)導(dǎo)通電阻增加的局域態(tài)陷阱來源于具有熱激活捕獲截面的點缺陷[109]。進一步深入研究還需要發(fā)展針對寬禁帶和高阻半導(dǎo)體的局域態(tài)測量方法，以獲得GaN高阻緩沖層中陷阱態(tài)的物理信息及其與異質(zhì)結(jié)構(gòu)外延生長參數(shù)的關(guān)聯(lián)規(guī)律。與此同時，器件的耐壓和動態(tài)導(dǎo)通電阻存在客觀的矛盾，需要根據(jù)應(yīng)用需求，尋找合適的平衡點。

另外，Si襯底的采用導(dǎo)致GaN基功率電子器件所能承受的電壓被器件垂直方向的電場所限制，耐壓特性與外延層結(jié)構(gòu)的總厚度密切相關(guān)。比利時IMEC采用部分刻蝕Si襯底的方法在2μm厚緩沖層上實現(xiàn)了高達2200 V耐壓的 GaN基功率電子器件[110]，如圖15所示。

圖15.比利時IMEC研制的局部Si襯底去除GaN基HEMT器件結(jié)構(gòu)示意圖（左）和器件擊穿特性曲線（右）[110]

綜上所述，如何在大晶格失配和大熱失配Si襯底上生長出高阻、高耐壓、低陷阱效應(yīng)的異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料是提高GaN基功率電子器件性能的關(guān)鍵。迄今人們對這一問題，及其背后的缺陷物理的認識和理解還很不夠，針對GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)和功率電子器件特定需求的缺陷物理表征方法也有待發(fā)展，需要進一步深入的研究工作。

V.小結(jié)與展望

GaN基寬禁帶半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)具有非常強的壓電和自發(fā)極化效應(yīng)、高飽和電子漂移速度、高擊穿場強、抗輻射、耐腐蝕等優(yōu)越的物理、化學(xué)性質(zhì)，是發(fā)展高功率微波射頻器件不可替代的材料體系，也是發(fā)展高效節(jié)能功率電子器件的主要材料體系之一。同時，由于具有較長的自旋馳豫時間、高于室溫的居里轉(zhuǎn)變溫度、以及由極化電場導(dǎo)致的較強自旋軌道耦合，GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)也是研制自旋場效應(yīng)晶體管富有競爭力的材料體系之一。過去10多年，GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)的外延生長、物性研究與電子器件研制一直是國際上半導(dǎo)體科學(xué)技術(shù)和半導(dǎo)體物理的前沿領(lǐng)域和研究熱點，已取得一系列重要突破。

在異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的外延生長方面，經(jīng)過多年的努力，藍寶石和SiC襯底上GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)的外延生長方法已比較成熟，基本可滿足器件研制和物性研究的需要，而受到高度關(guān)注的Si襯底GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)的外延生長也取得了很大進展，材料質(zhì)量已接近器件應(yīng)用的要求，但在異質(zhì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力控制、缺陷控制上離實用化還有差距。目前，GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)根據(jù)不同應(yīng)用的需要，復(fù)合勢壘結(jié)構(gòu)和復(fù)合溝道結(jié)構(gòu)，如超晶格勢壘、背勢壘、雙溝道等被廣泛采用，用于毫米波工作頻率的晶格匹配InAlN/GaN、AlN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)等也受到了人們的關(guān)注。

GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)物性研究主要圍繞其高密度2DEG性質(zhì)展開，在2DEG的高場輸運性質(zhì)、量子輸運性質(zhì)等方面取得了一系列進展，目前已基本清楚GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面量子阱的精細能帶結(jié)構(gòu)、子帶占據(jù)和散射機制，以及高場下的負微分電阻性質(zhì)和耿氏振蕩特性。在2DEG的本征自旋性質(zhì)研究上，人們對其塞曼自旋分裂及其各向異性、Rashba自旋軌道耦合及其零場自旋分裂有了比較清楚的認識，對自旋輸運和自旋馳豫也有了一定程度的了解，但異質(zhì)結(jié)構(gòu)的自旋注入效率尚待突破。另外，近幾年面向GaN基電子材料和器件應(yīng)用的缺陷物理和缺陷控制研究取得了很大進展，有效促進了材料和器件性能的提升，但這方面工作還不能滿足需求，有待進一步深入。

在GaN基電子器件研制方面，目前GaN基微波功率器件已取得一系列關(guān)鍵突破，除軍事應(yīng)用外，未來幾年將在5G移動通訊基站上開始規(guī)模應(yīng)用，在5G手機微波功放上的應(yīng)用也有可能實現(xiàn)。高功率散熱、線性度提升、高工作電壓器件、毫米波器件是未來幾年GaN基微波功率器件的主要研究方向。GaN基功率電子器件是當前的研究熱點，市場潛力巨大，但目前還有一系列關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問題有待攻克。其中應(yīng)力/缺陷可控的高質(zhì)量Si襯底GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)外延生長、高閾值電壓增強型器件、表面/界面態(tài)特性和GaN緩沖層陷阱態(tài)特性與調(diào)控等問題將是未來一段時間的研究重點。GaN自支撐襯底上的垂直結(jié)構(gòu)GaN基功率電子器件由于在降低開態(tài)電阻及提高擊穿電壓方面的潛在優(yōu)勢，也將受到人們的重視。另外，盡管還面臨很大挑戰(zhàn)，GaN基自旋電子學(xué)器件，特別是自旋FET依然是該領(lǐng)域追求的目標之一，一旦突破，將在自旋邏輯器件、量子存儲器件、量子計算等方面有很好的應(yīng)用前景。

致謝

感謝南京大學(xué)鄭有炓老師，中科院上海技術(shù)物理研究所褚君浩老師，中科院半導(dǎo)體研究所鄭厚植老師，香港科技大學(xué)葛惟昆老師，北京大學(xué)甘子釗、張國義老師在該文涉及的研究工作上多年的指導(dǎo)和幫助。感謝國家科技重點專項 (2016YFB0400100、2016YFB0400200)、國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目 (2013CB921901、2013CB632804)，國家自然科學(xué)基金(11634002、61521004、61361166007、61376095、61522401、61574006、61204099)和北京市科技計劃項目(Z151100003315002)對本文涉及工作的大力支持。

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Study of the epitaxial growth,physical properties and electronic devices of GaN-based semiconductor heterostructures

Shen Bo1,2,,Tang Ning1,2,Yang Xue-Lin1,2,Wang Mao-Jun1,3,Xu Fu-Jun1,2,Wang Xin-Qiang1,2,Qin Zhi-Xin1,2
1.Research Center of Wide band-gap semiconductors,Peking University,Beijing 100871,China 2.State Key Laboratory of Arti fi cial Microstructure and Mesoscopic Physics,Peking University,Beijing 100871,China 3.Institute of Microelectronics,School of Electronics Engineering and Computer Science,Peking University,Beijing 100871,China

Owing to their excellent physical properties,such as strong piezoelectric and spontaneous polarization,high saturation drift velocity,high critical breakdown electric fi eld,high Curie temperature,and strong spin–orbit coupling e ff ect,GaN-based wide band-gap semiconductor heterostructures are the most favorite materials in developing high-power microwave electronic devices as well as energy-saving power electronic devices.Potential applications in semiconductor spintronics are also expected.Therefore,the study of GaN-based heterostructure materials, physics,and devices has attracted great interest in the world in recent years.In this paper, world-wide research progresses on the epitaxial growth,physical properties and device fabrication of GaN-based heterostructures in recent years are reviewed,including a brief introduction of the academic achievements in this fi eld at Peking University.

GaN-based wide band-gap semiconductors,epitaxial growth,two dimensional electron gas(2DEG),transport properties,spin properties,GaN-based electronic devices

date:2016-12-30

O47

A

10.13725/j.cnki.pip.2017.03.001

*E-mail:bshen@pku.edu.cn

1000-0542(2017)03-0081-17