1769507877
2026-01-27 09:41:00
Ученые Мичиганского университета в Анн-Арборе достигли заметной вехи в исследованиях нитридов-полупроводников, обнаружив исключительно высокую двумерную плотность электронного газа при комнатной температуре в гетероструктуре нитрида алюминия/нитрида галлия. Выращенная с использованием плазменной молекулярно-лучевой эпитаксии, структура использует одноканальную конструкцию с барьером AlN толщиной 9 нм, что обеспечивает концентрацию электронов выше 1 × 10¹⁴ см⁻² — результат, который ставит эту материальную систему на передний план заявленных уровней производительности.
{alcircleadd}
Чтобы узнать перспективы рынка алюминия на 2026 год и последующий период, ознакомьтесь с нашим отчетом: «Перспективы мировой алюминиевой промышленности на 2026 год».
Об этом сообщается в Письма по прикладной физике (Том 127, стр. 243505, 2025 г.) в работе показано, как точное управление напряжением и контроль интерфейса могут идеально раскрыть уровни производительности, которые ранее считались трудными для поддержания в гетероструктурах, управляемых AIN. Исследователи предполагают, что результаты могут ускорить разработку агрессивно масштабируемых, термически стабильных устройств для усиления мощности миллиметровых волн, архитектур радиочастотных интерфейсов и другой широкозонной электроники. Они отмечают, что для практического применения интеграция диэлектриков затвора, таких как Al₂O₃ или HfO₂, в сочетании с усовершенствованной разработкой интерфейса расширит окно надежности для транзисторов AlN/GaN с высокой подвижностью электронов (HEMT).
Переосмысление барьерных материалов для каналов высокой плотности
Обычные латеральные HEMT обычно основаны на нелегированном канале GaN, закрытом барьером из нитрида алюминия-галлия (AlGaN), для индукции 2DEG. Хотя альтернативные барьеры на основе сплавов InAlN или ScAlN могут повысить подвижность носителей, они обычно страдают от существенного снижения электронной плотности. AlN, напротив, обеспечивает наибольшее спонтанное и пьезоэлектрическое рассогласование поляризации среди III-нитридных материалов в сочетании с GaN, обеспечивая исключительно сильное удержание носителей заряда при условии тщательного контроля деформации.
В системах AlN/GaN совокупные эффекты деформации решетки и неоднородности поляризации создают глубокую потенциальную яму на границе раздела, где электроны накапливаются без необходимости преднамеренного легирования.
Стратегия роста и структурный дизайн
Гетероструктуры были выращены на высокоомных шаблонах GaN-на-сапфире с дополнительным слоем GaN толщиной 100 нм, выращенным перед нанесением барьера AlN. Для подавления паразитной проводимости шаблон GaN был легирован ванадием. Толщина барьера систематически варьировалась, и вся структура была покрыта GaN, чтобы защитить слой AlN от атмосферной деградации, в частности окисления, известной уязвимости соединений, богатых алюминием.
Рост осуществляли при 600°C в условиях богатого металлами PAMBE. По мнению команды, поддержание избытка металла во время осаждения увеличивает подвижность поверхностных адатомов, способствуя латеральному росту и создавая более гладкие и однородные пленки.
Тенденции электрических характеристик
Измерения эффекта Холла Ван дер Пау использовались для определения плотности, подвижности и поверхностного сопротивления носителей при комнатной температуре. По мере увеличения толщины AlN с 3 нм подвижность электронов последовательно снижалась, упав с первоначального значения 925,2 см²/В·с. Напротив, плотность носителей резко возрастала с увеличением толщины барьера, достигая максимума 1,3 × 10¹⁴ см⁻² для образца 9 нм.
Исследователи объясняют такую рекордную плотность сочетанием атомарно резких границ раздела и точно настроенным контролем деформации во время эпитаксии. Однако, если рассматривать одновременно подвижность и плотность, наименьшее сопротивление листа, 166 Ом на квадрат, наблюдалось в образце с барьером 6 нм. Это значение ставит структуру в число наиболее эффективных гетероструктур AlN/GaN, известных на сегодняшний день. Устройство, изготовленное по техпроцессу 6 нм, показало плотность 2DEG 7,8 × 10¹³ см⁻².
Релаксация деформации и ее последствия.
Более тщательный осмотр образца с барьером AlN толщиной 9 нм показал появление мелких трещин, что является явным признаком того, что слой начал освобождаться от накопленной деформации. Хотя структура по-прежнему поддерживала очень высокую плотность электронов, эти структурные недостатки привели к более высокому поверхностному сопротивлению. Исследователи отмечают, что, хотя теоретические расчеты определяют начало релаксации деформации AlN на GaN примерно при 6,5 нм, реальные условия роста означают, что релаксация может начаться раньше из-за таких факторов, как неровность поверхности и образование дефектов.
Тщательная оптимизация условий роста помогла исследователям сохранить структурную целостность даже за пределами этого критического порога, что позволило сформировать 2DEG сверхвысокой плотности. Они предполагают, что дальнейшее смягчение растрескивания с помощью таких подходов, как селективная эпитаксия или усовершенствованная технология деформации, может позволить в полной мере использовать эти плотности в архитектурах следующего поколения, включая Fin-HEMT и многоканальные устройства.
Механизмы деградации мобильности
Наблюдаемое уменьшение подвижности с увеличением толщины барьера анализировалось с точки зрения трех доминирующих механизмов рассеяния: кулоновского взаимодействия между носителями, столкновения с полярными оптическими фононами и рассеяния на шероховатостях границы раздела. Атомно-силовая микроскопия на участках размером 2 мкм × 2 мкм выявила значения шероховатости поверхности 0,21 нм для барьера 6 нм и 0,28 нм для барьера 9 нм, что указывает на усиление беспорядка на границе раздела при большей толщине.
Температурная стабильность и криогенная пригодность
Также были проведены низкотемпературные измерения Холла с упором на структуру барьера 6 нм. При 300 К сопротивление листа составляло 175 Ом/кв. и оставалось в основном стабильным примерно до 100 К, ниже которого температурно-зависимые механизмы рассеяния становились более выраженными. Важно отметить, что сохранение конечной плотности носителей при криогенных температурах подтвердило отсутствие вымораживания носителей.
Такое поведение демонстрирует, что 2DEG вызван поляризацией, а не донором, с незначительным вкладом от утечки буфера или непреднамеренного включения кремния. Исследователи наблюдали умеренное увеличение плотности носителей при повышенных температурах, которое они объясняют сжатием решетки и соответствующими изменениями в пьезоэлектрической поляризации и выравнивании зон.
Сравнительный анализ с предыдущей работой
В совокупности исследование показывает, что тщательно спроектированные интерфейсы AlN/GaN могут обеспечивать как экстремальную плотность носителей, так и стабильные транспортные свойства, усиливая их потенциал для высокочастотных, мощных и даже криогенных электронных приложений.
Исследование: самые точные данные для принятия бизнес-решений с более чем 50 отчетами по всей цепочке создания стоимости.
#Нитрид #алюминия #открывает #новый #горизонт #производительности #силовой #электронике #на #основе #GaN
Продолжение темы
