柔性GaN基HEMT的电化学法制备及其压电电子学调控研究

　　功率射频器件作为电子电力技术的核心元器件，对于实现功率转换和提高能源转换效率起着至关重要的作用。同时，功率射频器件在战略性新兴信息产业中占据着举足轻重的地位，对能源生产、消费和技术发展具有重要的科学意义和使用价值。其中，AlGaN/GaN异质结高迁移率晶体管(HEMT)由于其自身具有较高的二维电子气(2DEG)、耐高温、优异的功率特性等特点，是GaN电子器件的重要代表，是第三代半导体技术领域发展和技术革新的焦点之一。
　　本文亮点
　　1.  提出了一种高效且便捷的电化学剥离方法，制备了 大面积(>2 cm²)无损的柔性HEMT阵列薄膜 。 2.  通过引入压电电子学效应调控2DEG和声子的物理特性，实现了对器件 电学和热学性能的调控 ，并对其内在机理进行详细阐释。 3.  为柔性GaN基HEMT的 制备和性能的调控 提供了一种全新的思路。
　　内容简介
　　中科院北京纳米能源所王中林院士、华南师大王幸福研究员及广东省科学院半导体研究所张康高级工程师等 开展合作，通过设计特定的外延结构，提供了一种绿色的、低廉的加工技术——电化学腐蚀法，剥离出牺牲层以上的AlGaN/AlN/GaN，实现了刚性衬底的剥离，并制备出大面积(>2 cm²)柔性HEMT阵列器件。在此基础上，将器件与柔性衬底键合，引入压电电子学效应进行电学和热学性能的调控。
　　图文导读
　　I AlGaN/AlN/GaN异质结外延结构的制备及表征
　　本文采用金属有机气相外延技术(MOCVD)的方法制备了外延结构，通过在AlGaN/AlN/GaN目标层下方设计高掺杂的GaN层(Si掺杂，n⁺-GaN)，使得该层电导率较大，可作为电化学过程中的牺牲层被选择性腐蚀。如图1所示。
　　图1. (a) 以蓝宝石为衬底的外延结构的示意图；(b1) AlGaN/AlN/GaN界面的STEM图；(b2) 沿C轴方向的GaN HRTEM图；(b3) 异质结结构的AFM图；(b4) 沿方向生长的外延结构的SAED图；(c1-c4) ＂三明治＂结构AlN插入层的EDX图；(d) 沿C轴方向目标层中EDX的线扫描图。
　　我们进一步研究了目标层中的极化效应、能带分布状态和位于AlGaN/AlN/GaN目标层结构中2DEG的面密度和分布，如图2所示。
　　图2. AlGaN/AlN/GaN目标层异质结结构的能带分布及界面处2DEG的面密度及分布状态。
　　II 大面积无损的柔性HEMT阵列薄膜的制备
　　利用电化学腐蚀的方法，在不损害晶体质量的前提下从蓝宝石衬底上剥离出AlGaN/AlN/GaN HEMTs，并与柔性PET衬底低温键合，快速高效地完成刚性器件到柔性器件的转换。利用AlGaN/AlN/GaN结构制备HEMT压电电子学器件，制备流程展示图3。
　　图3. 柔性大面积HEMT阵列薄膜器件的制备流程：(a1-a4) AlGaN/AlN/GaN HEMTs的转移流程图示意图；(b) 集中展示了电化学腐蚀的原理和实验过程图，反应机理为2GaN+6h⁺→2Ga³⁺+N₂；(c-d) 剥离蓝宝石衬底获得的大面积(>2 cm²)且无损的柔性HEMT阵列薄膜器件；(e-f) 阵列器件的电极显微镜图，其中源漏极为Ti/Al/Ni/Au (20/130/50/100 nm)，栅极为Ni/Au (30/300 nm)。
　　III 柔性HEMT器件基本特性表征
　　研究了剥离前后晶体质量的变化，在剥离转移到PET衬底后(002)和(102)晶向半峰宽FWHM的降低，表明了牺牲层剥离后晶体质量的提升，同时证明牺牲层的设置并未影响目标层的晶体质量。目标层释放后，晶体质量显著提升，证明了电化学剥离的必要性和成功性。随后通过测试，证明转移后HEMTs器件具有的优异的电学特性。栅压为0 V时，器件达到最大饱和电流105.67 mA/mm，阈值电压Vth=-2.38 V，跨导Gm=27.17 mS/mm(如图4所示)。
　　图4. 柔性HEMT器件的基本性能：(a) 剥离前GaN(102)(002)晶向的XRD测试图；(b) 剥离后GaN(102)(002)晶向的XRD测试图；(c) 柔性HEMT器件在不同栅压调控下的传输曲线图；(d)柔性HEMT器件在Vds=10 V的转移曲线。
　　IV 压电电子学效应对于HEMT器件性能的调控
　　创新性的引入压电电子学效应，利用压力诱导的压电极化电荷对半导体材料能带结构进行调节，进而调节或控制功率器件的电子传输性质，其次，压电电子学效应可以通过影响晶格常数，结构和系统的对称性来调控晶体内部的声子特性，进而调制材料的导热系数。在本项研究中，通过压电电子学效应的引入，结果显示器件的电学性能得到了较大的提升(增长3.15%),自热效应得到了大幅度的抑制(减小16.19%)等(如图4所示)。这些研究结果为我们进一步深入研究GaN基功率器件和射频器件制备，以及其性能的调控奠定了基础。
　　图5. 压电电子学效应调制作用：(a) 压应力下器件电学性能的变化；(b) 拉应力下器件电学性能的变化；(c) 统计在应力下了峰值电流的相对变化值和峰值位置的移动，表征了压电电子学效应对电学性能的调控；(d)通过对于峰值电流的衰减值的统计表征压电电子学效应对自热效应的抑制。
　　V 压电电子学调控机理的阐释
　　通过泊松方程和薛定谔的自洽求解计算了在不同应力之下的二维电子气和能带的变化，揭示了压电电子学的机理。在无应力的状态下，异质结界面处存在较大的能带不连续，且材料内部有着较强的自发极化和压电极化效应，共同造成了在AlGaN/AlN/GaN异质结GaN一侧形成三角势垒。其次通过计算分析每层的极化电荷可得在异质结界面处为净正电荷，会吸引GaN一侧的电子，并且被束缚到三角势垒中，形成很薄的一层二维电子气。压电电子学效应通过引入外部应力，与内部的压电极化和自发极化相耦合，调控界面净正电荷的数量，影响能带的形状，进而调控二维电子气的面密度和迁移率，影响器件电学性能。
　　图6. 压电电子学机理的解释：(a-c) 不同的应力状态下器件极化状态的变化；(d) 不同应力状态下能带的变化；(e) 不同应力状态下2DEG面密度的变化。