除碳可提高GaN电子迁移率

据日本研究人员报告，通过减少碳污染来避免碳污染源导致的“迁移率崩溃”，氮化镓（GaN）的电子迁移率性能创下新高 [Shota Kaneki et al, Appl. Phys. Lett., v124, p012105, 2024]。

住友化学株式会社、京都大学、名古屋大学、可持续材料与系统研究所（IMaSS）组成的研究团队报告称，一样品的碳浓度（[C]）低至1.4x10¹⁴/cm³，却显示出1480cm²/(V-s)的创纪录室温迁移率（μ_RT），温度为62K时，最大μ_MAX为14,300cm²/(V-s)，同样创下记录。研究人员指出，该样品的μ_MAX值几乎是先前记录的两倍。

研究团队采用无石英氢化物气相外延（QF-HVPE）生长方法，严格控制硅（Si）、碳、氧的污染。石英是结晶二氧化硅。这种材料通常用于高温工艺设备中。

除了实现创纪录的迁移率性能外，该团队还寻求从经验上理解碳污染造成的“崩溃”，以期充分发挥GaN的能力，制造出更高效、更紧凑的功率器件，借此为电动汽车制造逆变器，并为可再生能源制造功率转换器。

制造GaN常会用到金属有机III族氮化物生长方法，其中碳污染是一个特殊问题，利用该方法进行制造时，金属离子镓、铟、铝会与有机成分相连，生成三甲基镓等前驱体。甲基（CH₃）由碳和氢组成。Sumitomo等人的无石英氢化物气相外延法则避免了有机化学，从而避免加入不受控的碳。

研究人员先利用他们的空隙辅助分离法制备出2英寸独立GaN衬底，再用无石英氢化物气相外延工艺在其上生长材料，最后利用所生长材料制备出用于霍尔测量的样品。通过背面抛光去除生长衬底后，测试样品由6mm x 6mm的方形n型GaN层组成。

生长GaN层耗时5至8小时，生长后整体厚度为300-500µm。去除衬底后，材料厚度为200-400µm。生长温度为1050°C，生长压力为大气压。生长衬底的穿透位错密度（TDD）是均匀的，介于1x10⁶/cm²和3x10⁶/cm²之间。

样品污染包括放置在氨气（NH₃）N源气体流道的一小块碳。碳块大小控制杂质浓度（见表），杂质浓度由二次离子质谱法（SIMS）测定。从材料的中心开始，用于霍尔测量的铝/钛电极放置在方形样品的四角上。

表1：三种样品的Si和C杂质浓度以及霍尔测量结果

利用20K至300K（RT，室温）时霍尔参数的温度依赖性来评估散射机制对降低迁移率的影响，例如电离杂质（II）、声学形变势（DP）、极性光学声子（POP）、压电（Piez）效应等散射机制。研究发现，迁移率在不同的低温下会有所升高，达到峰值（μ_MAX），然后随着温度接近室温而下降（μ_RT）。

△ 图1：（a）[C]与μ_MAX的关系，（b）[C]与μ_RT的关系。观测到的数据标为实点。红色虚线代表传统理论，红色实线代表根据假设额外迁移率影响μ_UNK计算得出的数值。

针对μ_MAX和μ_RT随碳浓度变化的数据，研究人员比较了他们所得数据与传统理论所得数据（图1）。在μ_MAX的低温条件下，主要的迁移率来自杂质散射。虽然测量值低于传统预期值，但差异相对较小。然而，在室温条件下，原预计声子散射对迁移率的影响会占主导地位，但测量结果仍然显示碳的存在会产生很大影响，从而导致“迁移率崩溃”。

研究团队以经验为主，尝试用术语μ_UNK（图2）来描述对迁移率的“未知”影响。在无未知（UNK）影响和未知影响随T^-1.5变化的情况下，分别计算总迁移率。温度随T^-1.5变化时，拟合结果更佳。

△ 图2：样品（a）1、（b）2、（c）3的霍尔迁移率与温度的函数关系。黑色实点代表实验数据。灰色、蓝色、橙色、绿色实线分别是算出的μ_II、μ_DP、μ_POP、μ_Piez影响的霍尔迁移率，不含μ_UNK（虚线）和含μ_UNK（实线）。

必须记住，“散射”的增加会降低载流子迁移率，因此迁移率影响，至少在简单理论中，以倒数总和（Σ_i1/μ_i）的形式结合在一起，从而得出有效迁移率的倒数（1/μ_eff）。

附加影响的大小变化（μ_UNK = K/T^1.5）近似于1/[C]的趋势（图3）。μ_UNK的温度指数在1和2之间时，在拟合实验数据方面具有类似能力。

△ 图3：样品1-3的μ_UNK指前因子K与[C]之间的关系，以及先前报告的数据。

研究团队评论道：“传统理论已考虑电离杂质散射，因此图3中K对[C]的依赖性有力表明，碳杂质诱发了电离杂质散射之外的其他散射机制。深碳受体周围局部应变引起的散射就是一种可能性。”