分子束外延技术在III-N族材料中的应用

# 分子束外延技术在III - N族材料中的应用 ## 1. 引言 在半导体材料的研究与应用中，III - N族材料如AlGaN/GaN展现出了巨大的潜力。分子束外延（MBE）技术作为一种精确控制材料生长的方法，在制备高质量的III - N族材料方面发挥着重要作用。本文将详细探讨MBE技术在III - N族材料生长中的应用，包括材料的均匀性、低温迁移率、磁输运特性以及相关器件的性能特点。 ## 2. 材料均匀性 MBE技术在生长III - N族材料时能够实现良好的均匀性。通过对整个晶圆上器件的最大漏极电流进行全面测量来表征这种均匀性。以等离子体辅助MBE生长的HFET晶圆为例，最大漏极电流（$I_{max}$）的变化小于5%，这一均匀性水平与III - V族（如GaAs和InP）器件技术相当。 ## 3. 低温迁移率 ### 3.1 室温与低温迁移率的差异 高密度GaN/AlGaN二维电子气（2DEG）在室温下的迁移率主要受极性光学声子散射的限制，缺陷和杂质的影响较小。由于2DEG的高密度产生的屏蔽效应进一步降低了缺陷的影响，因此室温迁移率不能很好地反映通过各种技术生长的HFET结构的材料质量。 然而，在极低温和低密度2DEG的情况下，晶格振动不再是主要的载流子散射机制。电子与各种结构缺陷（如位错、杂质、合金无序和界面粗糙度等）的相互作用成为限制迁移率的重要散射源。因此，低温迁移率更能准确反映特定生长技术所获得的材料纯度和完美程度。 ### 3.2 MBE技术在低温迁移率方面的优势 MBE技术在制备高质量GaN/AlGaN 2DEG结构方面表现出色。文献中报道的低温迁移率超过$50000 cm^2/Vs$的GaN/AlGaN 2DEG均采用MBE技术生长。MBE技术的优势包括：低残余杂质掺入、层厚度均匀性和精确性以及清晰的界面。 例如，在MOCVD生长的GaN/蓝宝石模板上通过等离子体辅助MBE生长的GaN/AlGaN 2DEG，其迁移率在77K时为$24000 cm^2/Vs$，在13K时增加到$51700 cm^2/Vs$。 ### 3.3 铝浓度对低温迁移率的影响 低温迁移率与势垒层中的铝浓度密切相关。只有在载流子密度和铝浓度较小的样品中才能实现超高迁移率。随着势垒层中铝浓度的增加，低温迁移率急剧下降。这表明在这些高质量结构中，合金无序势和界面粗糙度散射是最重要的散射机制，而带电杂质或位错散射的影响较小。 对于某些样品，测量得到的迁移率接近由于合金散射计算得到的低温迁移率极限（如$80000 cm^2/Vs$），这意味着MBE生长的GaN/AlGaN结构具有优异的材料纯度、界面质量和低缺陷密度。 ### 3.4 不同生长条件和衬底对迁移率的影响 - **等离子体辅助MBE**：在HVPE GaN模板上生长的AlGaN/GaN 2DEG，在载流子密度为$1.5×10^{12} cm^{-2}$时，迁移率达到创纪录的$75000 cm^2/Vs$。这种高迁移率结构是在富Ga生长条件下获得的，具有原子级光滑的表面和界面。而在富氮条件下生长会导致表面形貌粗糙，迁移率显著降低。 - **氨辅助MBE**：在半绝缘块状GaN晶体上生长的AlGaN/GaN 2DEG，在1.5K时迁移率为$60000 cm^2/Vs$，位错密度低于$2×10^8 cm^{-2}$，表明位错散射对迁移率的限制较小。 - **直接生长在蓝宝石或SiC衬底上**：与使用GaN模板作为衬底相比，MBE直接在蓝宝石或SiC衬底上生长AlGaN/GaN 2DEG时，界面粗糙度和位错密度较高。例如，在蓝宝石衬底上通过氨辅助MBE生长的AlGaN/GaN 2DEG，在1.2K时迁移率为$14800 cm^2/Vs$，样品表面粗糙度较大（RMS值为60nm），但晶粒尺寸较大，位错密度较小。 ## 4. 磁输运特性 ### 4.1 重要物理参数的提取 通过低温磁输运测量可以提取AlGaN/GaN 2DEG结构的重要物理参数，如载流子浓度、散射时间和有效质量。纵向磁阻（$R_{xx}$）中的Shubnikov - de Haas（SdH）振荡和横向磁阻（$R_{xy}$）中的量子霍尔效应的观察也是存在量子化二维电子气的重要证据。 纵向电阻的振荡部分可以表示为： \[ \Delta R_{xx} = 4R_0X(T)\exp(-\frac{1}{\omega_c\tau_q})\cos(\frac{2\pi e n}{\hbar B}) \] 其中，$\tau_q$是量子散射时间，$\omega_c = \frac{eB}{m^*}$是回旋频率，$\epsilon = \frac{\hbar^2 n}{m^*}$是费米能量，$X(T)$是温度阻尼因子，由下式给出： \[ X(T) = \frac{2\pi^2 kT / \hbar\omega_c}{\sinh(2\pi^2 kT / \hbar\omega_c)} \] 从上述公式的最后一项可以根据电阻振荡频率在$1/B$中的变化提取载流子密度。量子寿命通常通过所谓的Dingle图推导得出，将$\Delta R / 4R_0X(T)$对$1/B$取对数绘制，斜率给出$1/\tau_q$，在$1/B = 0$时截距为1。电子有