分子束外延法構(gòu)筑AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)及其性能的深度剖析與前沿探索一、引言1.1研究背景與意義半導體材料作為現(xiàn)代信息技術(shù)的基石，推動著電子產(chǎn)業(yè)的持續(xù)變革與創(chuàng)新。自20世紀中葉以來，半導體技術(shù)歷經(jīng)了從第一代硅（Si）、鍺（Ge）材料，到第二代砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）等化合物半導體材料的發(fā)展，如今，第三代半導體材料正逐漸嶄露頭角，引領(lǐng)著新一輪的技術(shù)革命。以氮化鎵（GaN）為代表的第三代半導體材料，憑借其獨特的物理性質(zhì)，在高頻、高壓、高溫及抗輻射等應(yīng)用領(lǐng)域展現(xiàn)出了第一代和第二代半導體材料難以企及的優(yōu)勢。GaN具有寬禁帶寬度（約3.4eV），是硅材料（1.12eV）的三倍之多，這賦予了它更高的擊穿電場強度，能夠承受更高的電壓而不易發(fā)生擊穿，為實現(xiàn)高功率、高效率的電力電子器件提供了可能。同時，GaN還具備高電子飽和漂移速度，其電子在電場作用下能夠以更快的速度移動，這使得基于GaN的器件在高頻應(yīng)用中表現(xiàn)出色，可有效提高信號的處理速度和傳輸效率。此外，GaN的化學穩(wěn)定性和熱導率也較為優(yōu)異，能夠在高溫環(huán)境下穩(wěn)定工作，適應(yīng)惡劣的工作條件，拓寬了半導體器件的應(yīng)用范圍。在眾多基于GaN的半導體結(jié)構(gòu)中，AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)因其獨特的能帶結(jié)構(gòu)和電學特性，成為了研究和應(yīng)用的熱點。由于AlGaN和GaN之間存在晶格失配和自發(fā)極化、壓電極化效應(yīng)，在AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面處會誘導產(chǎn)生高濃度的二維電子氣（2DEG）。這種2DEG具有高遷移率和高電子密度的特點，遷移率可達1000-2000cm2/(V?s)，電子密度可達到1012-1013cm?2，使其在高電子遷移率晶體管（HEMT）器件方面展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。HEMT器件基于AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)的2DEG導電溝道，能夠?qū)崿F(xiàn)低電阻、高電流密度的導通，同時具備快速的開關(guān)速度和低噪聲特性，廣泛應(yīng)用于5G通信基站、雷達、衛(wèi)星通信等高頻、高功率領(lǐng)域，是實現(xiàn)下一代無線通信和高性能雷達系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。在電力電子領(lǐng)域，AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)器件也具有重要的應(yīng)用價值。隨著新能源汽車、智能電網(wǎng)、可再生能源發(fā)電等領(lǐng)域的快速發(fā)展，對高效、高功率密度的電力轉(zhuǎn)換器件需求日益增長。AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)器件的高擊穿電壓和低導通電阻特性，使其能夠在高壓、大電流的工作條件下實現(xiàn)高效的電能轉(zhuǎn)換，有效降低能量損耗，提高系統(tǒng)的能源利用效率。例如，在新能源汽車的車載充電器和電機驅(qū)動系統(tǒng)中，采用AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)器件可以顯著減小設(shè)備體積和重量，提高充電速度和續(xù)航里程；在智能電網(wǎng)的輸電和配電系統(tǒng)中，應(yīng)用AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)器件能夠提升電力傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性，降低電網(wǎng)損耗。為了制備高質(zhì)量的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)，分子束外延（MBE）技術(shù)應(yīng)運而生。MBE技術(shù)是在超高真空條件下，將構(gòu)成晶體的各個原子或分子束蒸發(fā)出來，然后在襯底表面逐層生長，精確控制原子層面的生長過程，從而實現(xiàn)原子級別的外延生長精度。與其他常見的異質(zhì)結(jié)外延手段，如金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）和氫化物氣相外延（HVPE）相比，MBE具有諸多獨特的優(yōu)勢。首先，MBE生長溫度較低，能夠有效減少因高溫引起的雜質(zhì)擴散和晶格缺陷，有利于生長高質(zhì)量的超薄外延層，精確控制異質(zhì)結(jié)的界面質(zhì)量和結(jié)構(gòu)。其次，MBE可以通過精確控制分子束的流量和蒸發(fā)速率，實現(xiàn)對異質(zhì)結(jié)中各層材料的組分、厚度和摻雜濃度的精確調(diào)控，從而優(yōu)化異質(zhì)結(jié)的電學性能。此外，MBE設(shè)備通常配備有原位監(jiān)測和分析儀器，如反射高能電子衍射（RHEED）、四極質(zhì)譜儀（QMS）等，能夠?qū)崟r監(jiān)測外延生長過程中的表面形貌、結(jié)晶質(zhì)量和原子組成，為生長過程的精確控制提供了有力的技術(shù)支持。通過MBE技術(shù)生長AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)，深入研究其生長機制、結(jié)構(gòu)特性與電學性能之間的關(guān)系，對于進一步提升異質(zhì)結(jié)的性能，推動其在高頻、高壓等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用具有重要的科學意義和實際應(yīng)用價值。本研究旨在通過優(yōu)化MBE生長工藝參數(shù)，生長高質(zhì)量的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)，并對其結(jié)構(gòu)和性能進行全面的表征與分析，為相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展提供理論基礎(chǔ)和實驗依據(jù)。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在分子束外延生長AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)及性能表征方面，國內(nèi)外科研人員已開展了大量深入且卓有成效的研究工作，推動著該領(lǐng)域不斷向前發(fā)展。國外在這一領(lǐng)域起步較早，眾多知名科研機構(gòu)和企業(yè)在技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用探索方面處于世界領(lǐng)先地位。美國的科研團隊在基礎(chǔ)研究方面成果豐碩，麻省理工學院（MIT）的研究人員通過優(yōu)化MBE生長工藝，精確控制AlGaN層的厚度和Al組分，成功制備出具有高電子遷移率和低界面態(tài)密度的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)。他們利用先進的原位監(jiān)測技術(shù)，實時觀察異質(zhì)結(jié)生長過程中的原子吸附、擴散和反應(yīng)行為，深入研究了生長動力學機制，為進一步提高異質(zhì)結(jié)質(zhì)量提供了理論依據(jù)。例如，通過精確控制分子束的流量和襯底溫度，實現(xiàn)了對AlGaN層生長速率和結(jié)晶質(zhì)量的精準調(diào)控，有效減少了晶格缺陷和雜質(zhì)的引入，從而提高了異質(zhì)結(jié)的電學性能。日本在材料制備工藝和器件應(yīng)用方面表現(xiàn)出色。日本的一些企業(yè)，如住友電工、三菱電機等，投入大量資源開展相關(guān)研究。住友電工通過改進MBE設(shè)備和工藝，生長出高質(zhì)量的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)，并將其應(yīng)用于高功率微波器件中，取得了顯著的成果。他們研發(fā)的基于AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)的高電子遷移率晶體管（HEMT），在5G通信基站的射頻前端模塊中得到了廣泛應(yīng)用，展現(xiàn)出優(yōu)異的高頻性能和可靠性。同時，日本的科研人員還在異質(zhì)結(jié)的光學性能研究方面取得了重要進展，通過引入量子阱結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了對光發(fā)射波長和效率的有效調(diào)控，為光電器件的發(fā)展開辟了新的方向。國內(nèi)對分子束外延生長AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)的研究也在近年來取得了長足的進步。中國科學院半導體研究所、南京大學等科研院校在該領(lǐng)域開展了系統(tǒng)的研究工作。中科院半導體研究所在MBE生長工藝優(yōu)化方面取得了重要突破，通過自主研發(fā)的新型襯底預(yù)處理技術(shù)和生長過程中的精確控制算法，成功生長出具有低位錯密度和高晶體質(zhì)量的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)。他們還對異質(zhì)結(jié)的電學性能進行了深入研究，分析了二維電子氣的形成機制和輸運特性，為器件的設(shè)計和優(yōu)化提供了關(guān)鍵參數(shù)。南京大學則專注于異質(zhì)結(jié)的界面工程研究，通過在AlGaN/GaN界面插入超薄的AlN緩沖層，有效改善了界面的晶格匹配和電學性能，提高了異質(zhì)結(jié)的穩(wěn)定性和可靠性。盡管國內(nèi)外在分子束外延生長AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)及性能表征方面取得了顯著的成果，但當前研究仍面臨一些不足之處與挑戰(zhàn)。首先，在生長工藝方面，雖然MBE技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的外延生長，但生長速率較低，導致制備成本較高，難以滿足大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的需求。如何在保證材料質(zhì)量的前提下提高生長速率，是亟待解決的問題。其次，異質(zhì)結(jié)中的晶格失配和極化效應(yīng)會導致界面處產(chǎn)生大量的缺陷和應(yīng)力，影響異質(zhì)結(jié)的電學性能和長期穩(wěn)定性。目前，雖然已經(jīng)提出了一些緩解應(yīng)力和減少缺陷的方法，如采用緩沖層、優(yōu)化生長溫度等，但仍需要進一步深入研究，以找到更加有效的解決方案。此外，在性能表征方面，對于一些復(fù)雜的物理現(xiàn)象，如高溫下的電子輸運機制、異質(zhì)結(jié)的動態(tài)響應(yīng)特性等，現(xiàn)有的表征技術(shù)還難以全面、準確地進行測量和分析，需要開發(fā)新的表征方法和技術(shù)手段。綜上所述，國內(nèi)外在分子束外延生長AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)及性能表征方面的研究成果為該領(lǐng)域的發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)，但仍存在諸多挑戰(zhàn)需要克服。未來的研究需要在生長工藝優(yōu)化、界面工程、性能表征技術(shù)等方面不斷創(chuàng)新和突破，以推動AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)在高頻、高壓等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。1.3研究內(nèi)容與創(chuàng)新點1.3.1研究內(nèi)容本研究聚焦于分子束外延生長AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)及其性能表征，旨在深入探究生長過程中的關(guān)鍵因素對異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)和性能的影響，具體研究內(nèi)容如下：分子束外延生長工藝優(yōu)化：深入研究分子束外延生長AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)的工藝參數(shù)，包括襯底溫度、分子束流強度、生長時間等對異質(zhì)結(jié)生長質(zhì)量的影響。通過精確控制各層材料的生長參數(shù)，探索生長高質(zhì)量AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)的最佳工藝條件。例如，系統(tǒng)地改變襯底溫度，研究其對異質(zhì)結(jié)晶體結(jié)構(gòu)完整性和界面平整度的影響；調(diào)整分子束流強度，觀察對異質(zhì)結(jié)中各層材料組分均勻性的作用。異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)與性能表征：運用多種先進的表征技術(shù)，對生長的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)進行全面的結(jié)構(gòu)和性能分析。利用高分辨率X射線衍射（HRXRD）精確測量異質(zhì)結(jié)各層材料的晶格常數(shù)、厚度和應(yīng)變狀態(tài)，深入了解材料的晶體結(jié)構(gòu)特性；通過原子力顯微鏡（AFM）觀察異質(zhì)結(jié)表面的微觀形貌，獲取表面粗糙度和臺階高度等信息，評估表面質(zhì)量；借助霍爾效應(yīng)測量系統(tǒng)，測量異質(zhì)結(jié)的電學性能參數(shù)，如二維電子氣的遷移率、載流子濃度等，分析其電學特性。界面特性與應(yīng)力分析：重點研究AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面處的特性，包括界面的原子排列、化學組成以及界面態(tài)密度等。采用高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）結(jié)合能譜分析（EDS），對界面進行微觀結(jié)構(gòu)和成分分析，揭示界面處的原子擴散和晶格匹配情況。同時，通過拉曼光譜和光致發(fā)光光譜等技術(shù)，研究異質(zhì)結(jié)中的應(yīng)力分布和光學特性，分析應(yīng)力對異質(zhì)結(jié)性能的影響機制。生長過程中的原位監(jiān)測與機制研究：利用反射高能電子衍射（RHEED）等原位監(jiān)測技術(shù)，實時觀察AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)生長過程中的表面重構(gòu)、原子吸附和擴散等現(xiàn)象，深入研究生長動力學機制。結(jié)合第一性原理計算和分子動力學模擬，從理論層面解釋實驗現(xiàn)象，為生長工藝的優(yōu)化提供理論指導。例如，通過RHEED圖像的變化，分析生長過程中表面原子的排列方式和生長模式的轉(zhuǎn)變；運用理論計算方法，研究不同生長條件下原子的吸附能和擴散路徑，預(yù)測生長過程中的缺陷形成和演化。1.3.2創(chuàng)新點本研究在分子束外延生長AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)及性能表征方面具有以下創(chuàng)新之處：多參數(shù)協(xié)同優(yōu)化生長工藝：不同于以往研究僅關(guān)注單一或少數(shù)幾個工藝參數(shù)的優(yōu)化，本研究采用多參數(shù)協(xié)同優(yōu)化的策略，全面系統(tǒng)地研究襯底溫度、分子束流強度、生長時間等多個關(guān)鍵工藝參數(shù)之間的相互作用對異質(zhì)結(jié)生長質(zhì)量的影響。通過設(shè)計一系列正交實驗，建立工藝參數(shù)與異質(zhì)結(jié)性能之間的定量關(guān)系，為生長高質(zhì)量AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)提供更全面、精準的工藝指導。原位監(jiān)測與理論計算相結(jié)合：將原位監(jiān)測技術(shù)與第一性原理計算、分子動力學模擬等理論方法有機結(jié)合，實現(xiàn)對AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)生長過程的全方位研究。原位監(jiān)測技術(shù)能夠?qū)崟r獲取生長過程中的表面信息，而理論計算則可以深入揭示生長過程中的原子行為和物理機制，兩者相互補充、相互驗證。這種研究方法有助于更深入地理解異質(zhì)結(jié)的生長機制，為生長工藝的進一步優(yōu)化提供堅實的理論基礎(chǔ)。界面工程與應(yīng)力調(diào)控新方法：提出一種基于界面插入層和應(yīng)力緩沖層的界面工程與應(yīng)力調(diào)控新方法，通過在AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面插入特定的超薄緩沖層，優(yōu)化界面的晶格匹配和電學性能，有效緩解界面處的應(yīng)力集中問題。同時，通過精確控制緩沖層的厚度和成分，實現(xiàn)對異質(zhì)結(jié)應(yīng)力分布的精確調(diào)控，從而提高異質(zhì)結(jié)的電學性能和長期穩(wěn)定性。這種新方法為解決AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)中由于晶格失配和極化效應(yīng)導致的界面問題和應(yīng)力問題提供了新的思路和途徑。二、分子束外延生長AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)原理與過程2.1基本原理分子束外延（MBE）技術(shù)是在超高真空環(huán)境下，將構(gòu)成晶體的各個原子或分子束蒸發(fā)出來，在精確控制的條件下，使其在加熱的襯底表面逐層生長，從而實現(xiàn)原子級別的外延生長精度。MBE系統(tǒng)主要由超高真空腔室、分子束源爐、襯底加熱與溫度控制系統(tǒng)、原位監(jiān)測分析儀器等部分組成。在MBE生長過程中，各元素的原子或分子在各自的分子束源爐中被加熱蒸發(fā)，形成定向的分子束射向襯底表面。以生長AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)為例，Ga原子束和N原子束（通常由氮氣經(jīng)過射頻等離子體解離產(chǎn)生）從各自的束源爐射出。這些原子束在超高真空環(huán)境下幾乎無碰撞地到達襯底表面，其運動遵循理想氣體分子的運動規(guī)律，根據(jù)分子運動理論，分子束中原子的平均自由程遠大于MBE系統(tǒng)中分子束源爐到襯底的距離，確保了原子能夠以純凈的狀態(tài)到達襯底。當原子到達襯底表面后，會經(jīng)歷一系列復(fù)雜的物理過程。首先是吸附過程，原子與襯底表面相互作用，被襯底表面的原子或已吸附的原子所捕獲，形成吸附原子。根據(jù)表面吸附理論，吸附過程可以分為物理吸附和化學吸附，在MBE生長中，主要是化學吸附起主導作用，吸附原子與襯底表面原子形成化學鍵，從而固定在襯底表面。隨后，吸附原子在襯底表面進行擴散遷移，尋找合適的晶格位置進行結(jié)合。原子在襯底表面的擴散遷移是一個熱激活過程，其擴散速率與襯底溫度密切相關(guān)，根據(jù)阿倫尼烏斯方程，擴散系數(shù)與溫度呈指數(shù)關(guān)系，溫度升高，擴散系數(shù)增大，原子擴散速率加快。在遷移過程中，原子可能會遇到其他吸附原子或表面缺陷，當兩個或多個吸附原子相遇時，它們會結(jié)合形成原子團簇，隨著原子團簇的不斷長大，最終在襯底表面形成穩(wěn)定的晶核。晶核的形成是外延生長的關(guān)鍵步驟，根據(jù)成核理論，晶核的形成需要克服一定的能量勢壘，只有當原子團簇達到一定尺寸，其自由能低于周圍環(huán)境時，晶核才能穩(wěn)定存在并繼續(xù)生長。在MBE生長中，通過精確控制分子束的流量和襯底溫度，可以調(diào)節(jié)原子在襯底表面的吸附和擴散速率，從而控制晶核的形成密度和生長速度。當晶核形成后，周圍的吸附原子會不斷地向晶核遷移并結(jié)合，使晶核逐漸長大，最終形成連續(xù)的外延層。對于AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)的形成，在生長完GaN層后，通過調(diào)整分子束源爐中Al源和Ga源的蒸發(fā)速率，改變到達襯底表面的Al原子和Ga原子的比例，從而生長出具有特定Al組分的AlGaN層。由于AlN和GaN的晶格常數(shù)存在差異（AlN的晶格常數(shù)a=0.311nm，c=0.498nm；GaN的晶格常數(shù)a=0.3189nm，c=0.5185nm），在AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面處會產(chǎn)生晶格失配應(yīng)力。這種晶格失配應(yīng)力會影響異質(zhì)結(jié)的晶體質(zhì)量和電學性能，為了緩解應(yīng)力，通常會在生長過程中采取一些措施，如引入緩沖層、優(yōu)化生長溫度和生長速率等。同時，由于AlGaN和GaN材料的極化特性不同，在AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面處會產(chǎn)生自發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)。自發(fā)極化是由于晶體結(jié)構(gòu)的非中心對稱性導致的，在沒有外加電場的情況下，晶體內(nèi)部就存在極化電場。壓電極化則是在晶格失配應(yīng)力的作用下，晶體發(fā)生形變，從而產(chǎn)生的極化電場。這兩種極化電場的方向相同，在異質(zhì)結(jié)界面處疊加，使得界面處產(chǎn)生高濃度的極化電荷。這些極化電荷會在異質(zhì)結(jié)界面處形成一個強電場，導致能帶彎曲，在GaN一側(cè)的導帶底形成一個三角形勢阱，電子被限制在這個勢阱中，形成二維電子氣（2DEG）。2DEG的形成是AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)具有優(yōu)異電學性能的關(guān)鍵，其高遷移率和高電子密度特性為制備高性能的電子器件奠定了基礎(chǔ)。2.2生長過程2.2.1襯底選擇與預(yù)處理在分子束外延生長AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)的過程中，襯底的選擇與預(yù)處理是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，直接影響著異質(zhì)結(jié)的生長質(zhì)量和性能。常用的襯底材料主要有藍寶石（Al?O?）和碳化硅（SiC）等，它們各自具有獨特的物理性質(zhì)和優(yōu)缺點。藍寶石是一種應(yīng)用廣泛的襯底材料，其主要成分為三氧化二鋁，具有良好的化學穩(wěn)定性和機械強度，能夠在高溫和惡劣的生長環(huán)境下保持穩(wěn)定。藍寶石的晶格結(jié)構(gòu)為六方晶系，與GaN的晶格結(jié)構(gòu)有一定的相似性，在一定程度上能夠滿足異質(zhì)外延生長的晶格匹配要求。然而，藍寶石與GaN之間仍存在較大的晶格失配（約16%）和熱膨脹系數(shù)差異（約8×10??/K），這在生長過程中容易引入位錯和應(yīng)力，影響異質(zhì)結(jié)的晶體質(zhì)量和電學性能。碳化硅襯底則具有與GaN更為接近的晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)，其與GaN的晶格失配僅為3.5%左右，熱膨脹系數(shù)差異也相對較小。這使得在SiC襯底上生長的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)能夠有效減少位錯和應(yīng)力的產(chǎn)生，提高異質(zhì)結(jié)的晶體質(zhì)量和電學性能。此外，SiC還具有高的熱導率，能夠在生長過程中更好地散熱，有利于提高生長的穩(wěn)定性和均勻性。然而，SiC襯底的制備成本較高，且其表面處理工藝相對復(fù)雜，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。在確定襯底材料后，需要對襯底進行嚴格的預(yù)處理，以獲得原子級平整、清潔的表面，為后續(xù)的外延生長提供良好的基礎(chǔ)。預(yù)處理步驟通常包括清洗和表面處理等過程。清洗是去除襯底表面雜質(zhì)和污染物的關(guān)鍵步驟，一般采用化學清洗和超聲清洗相結(jié)合的方法。首先，將襯底依次放入丙酮、乙醇和去離子水中進行超聲清洗，利用超聲的空化作用和有機溶劑的溶解作用，去除襯底表面的油污、有機物和顆粒雜質(zhì)。在丙酮清洗過程中，丙酮能夠有效地溶解油脂類污染物，通過超聲振蕩，使污染物從襯底表面脫離；乙醇清洗則進一步去除殘留的丙酮和其他水溶性雜質(zhì)；去離子水清洗可徹底清除襯底表面的離子性雜質(zhì)，確保襯底表面的清潔。在化學清洗后，還需對襯底進行表面處理，以改善襯底表面的原子排列和化學活性，促進外延生長。對于藍寶石襯底，常用的表面處理方法是在高溫下進行熱退火處理。將清洗后的藍寶石襯底放入分子束外延設(shè)備的生長腔中，在超高真空環(huán)境下加熱至一定溫度（通常為1000-1200℃），并保持一段時間。在高溫退火過程中，襯底表面的原子會發(fā)生遷移和重排，形成平整、有序的原子臺階，有利于外延層的二維生長。同時，高溫退火還可以去除襯底表面的氧化層，提高襯底表面的化學活性，增強原子在襯底表面的吸附和擴散能力。對于SiC襯底，除了熱退火處理外，還可以采用離子束刻蝕等方法進行表面處理。離子束刻蝕是利用高能離子束對襯底表面進行轟擊，去除表面的雜質(zhì)和缺陷，同時調(diào)整表面的原子結(jié)構(gòu)。通過精確控制離子束的能量、劑量和入射角度，可以在SiC襯底表面形成高質(zhì)量的原子臺階和表面形貌，為AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)的生長提供更好的襯底表面條件。在離子束刻蝕過程中，需要注意控制刻蝕參數(shù)，避免對襯底表面造成過度損傷，影響后續(xù)的外延生長。2.2.2外延層生長順序與參數(shù)控制在完成襯底的選擇與預(yù)處理后，便進入到AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)外延層的生長階段。合理的生長順序和精確的參數(shù)控制對于獲得高質(zhì)量的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的電學性能至關(guān)重要。通常，AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)的外延層生長順序依次為GaN緩沖層、AlN插入層、AlGaN勢壘層和GaN蓋帽層，每一層的生長都有其特定的作用和關(guān)鍵的生長參數(shù)需要嚴格控制。GaN緩沖層作為異質(zhì)結(jié)生長的起始層，其主要作用是緩解襯底與后續(xù)外延層之間的晶格失配和熱應(yīng)力，為高質(zhì)量的外延生長提供良好的基礎(chǔ)。在生長GaN緩沖層時，生長溫度是一個關(guān)鍵參數(shù)。一般來說，生長溫度控制在800-850℃之間較為合適。較低的生長溫度有利于減少原子的擴散速率，抑制位錯的產(chǎn)生和傳播，但過低的溫度會導致生長速率過慢，且原子在襯底表面的遷移能力不足，難以形成高質(zhì)量的晶體結(jié)構(gòu)；而過高的生長溫度則會使原子的擴散加劇，導致位錯密度增加，同時還可能引起襯底與外延層之間的互擴散，影響異質(zhì)結(jié)的性能。在該溫度范圍內(nèi)，原子具有適當?shù)倪w移能力，能夠在襯底表面找到合適的晶格位置進行結(jié)合，從而形成較為完整的晶體結(jié)構(gòu)。分子束流強度也對GaN緩沖層的生長質(zhì)量有重要影響。Ga源束流流量和N源束流流量需要精確控制，以保證Ga和N原子在襯底表面的化學計量比接近1:1。通常，Ga源束流流量控制在5-6×10??Torr，N源（通常由氮氣經(jīng)過射頻等離子體解離產(chǎn)生）的流量為0.6-0.8sccm。若Ga源束流強度過高，會導致Ga原子在襯底表面的吸附過多，形成Ga原子團簇，影響晶體的生長質(zhì)量；而N源束流強度不足，則會使N原子供應(yīng)不足，導致晶體中出現(xiàn)N空位等缺陷，降低晶體的電學性能。通過精確控制分子束流強度，能夠確保GaN緩沖層的化學組成均勻，晶體結(jié)構(gòu)完整。生長時間同樣是影響GaN緩沖層厚度和質(zhì)量的重要因素。一般生長時間在2-3小時左右，以獲得合適厚度（通常為0.5-1μm）的GaN緩沖層。生長時間過短，緩沖層厚度不足，無法有效緩解襯底與后續(xù)外延層之間的應(yīng)力；而生長時間過長，則可能導致緩沖層中缺陷的積累，影響異質(zhì)結(jié)的性能。通過精確控制生長時間，可以獲得厚度均勻、質(zhì)量優(yōu)良的GaN緩沖層，為后續(xù)外延層的生長提供穩(wěn)定的基礎(chǔ)。在生長完GaN緩沖層后，接著生長AlN插入層。AlN插入層的主要作用是進一步改善AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面的晶格匹配和電學性能，減少界面處的位錯密度和應(yīng)力集中。外延AlN插入層時，生長溫度一般控制在820-850℃。在這個溫度范圍內(nèi)，Al原子和N原子能夠在GaN緩沖層表面充分擴散和反應(yīng)，形成高質(zhì)量的AlN插入層。若生長溫度過低，Al原子和N原子的反應(yīng)活性降低，難以形成完整的AlN晶體結(jié)構(gòu)；而生長溫度過高，則可能導致AlN插入層與GaN緩沖層之間的互擴散加劇，影響異質(zhì)結(jié)的性能。Al源束流流量和氮氣流量也是影響AlN插入層生長的關(guān)鍵參數(shù)。Al源束流流量通常控制在6×10??Torr左右，氮氣的流量為0.6-0.8sccm，同時，等離子發(fā)生器的射頻功率一般設(shè)置為420-470W。通過精確控制這些參數(shù)，可以確保AlN插入層的生長速率和晶體質(zhì)量。生長時間則根據(jù)所需的AlN插入層厚度進行調(diào)整，一般在20s至1min之間，以獲得1.19-3.57nm厚度的AlN插入層。合適厚度的AlN插入層能夠有效地改善異質(zhì)結(jié)界面的性能，提高二維電子氣的遷移率和穩(wěn)定性。AlGaN勢壘層是AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)中形成二維電子氣的關(guān)鍵層，其生長參數(shù)的控制對異質(zhì)結(jié)的電學性能起著決定性作用。生長溫度同樣保持在820-850℃，以保證AlGaN材料的晶體質(zhì)量和生長的穩(wěn)定性。在生長AlGaN勢壘層時，通過精確控制Ga源束流流量和Al源束流流量來調(diào)節(jié)AlGaN的組分。例如，當Ga源束流流量為5.63×10??Torr，Al源束流流量為6×10??Torr時，可以生長出Al組分x為0.2421的AlGaN勢壘層。Al組分的變化會直接影響AlGaN的能帶結(jié)構(gòu)和極化特性，進而影響二維電子氣的濃度和遷移率。一般來說，隨著Al組分的增加，AlGaN的禁帶寬度增大，異質(zhì)結(jié)界面處的極化電場增強，二維電子氣的濃度也會相應(yīng)提高，但同時也會導致界面處的應(yīng)力增加，影響異質(zhì)結(jié)的穩(wěn)定性。因此，需要在Al組分和應(yīng)力之間找到一個平衡點，以優(yōu)化異質(zhì)結(jié)的電學性能。生長時間一般為7min左右，以獲得厚度約為20.2nm的AlGaN勢壘層。勢壘層的厚度對二維電子氣的限制作用和異質(zhì)結(jié)的電學性能也有重要影響。如果勢壘層過薄，對二維電子氣的限制作用減弱，電子容易發(fā)生泄漏，導致異質(zhì)結(jié)的電學性能下降；而勢壘層過厚，則會增加異質(zhì)結(jié)的電阻，降低電子的遷移率。因此，精確控制AlGaN勢壘層的厚度對于優(yōu)化異質(zhì)結(jié)的電學性能至關(guān)重要。最后生長的GaN蓋帽層主要用于保護AlGaN勢壘層，防止其表面被氧化和污染，同時也有助于改善異質(zhì)結(jié)的表面形貌和電學性能。生長溫度維持在820-850℃，Ga源束流流量為5.63×10??Torr，氮氣的流量為0.6-0.8sccm，等離子發(fā)生器的射頻功率為420-470W。生長時間通常為1min左右，以獲得厚度約為6.13nm的GaN蓋帽層。合適厚度的GaN蓋帽層能夠有效地保護AlGaN勢壘層，提高異質(zhì)結(jié)的穩(wěn)定性和可靠性。如果蓋帽層過薄，可能無法完全覆蓋AlGaN勢壘層，導致其表面受到外界環(huán)境的影響；而過厚的蓋帽層則可能會引入額外的應(yīng)力，影響異質(zhì)結(jié)的性能。2.2.3生長過程中的監(jiān)測與調(diào)控在分子束外延生長AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)的過程中，為了確保生長質(zhì)量和獲得預(yù)期的結(jié)構(gòu)與性能，需要實時對生長過程進行監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果及時進行調(diào)控。反射高能電子衍射（RHEED）是一種廣泛應(yīng)用于MBE生長過程中的原位監(jiān)測技術(shù)，它能夠提供關(guān)于生長表面原子結(jié)構(gòu)、結(jié)晶質(zhì)量和生長模式等重要信息。RHEED的工作原理基于電子與晶體表面原子的相互作用。當高能電子束（通常能量在10-30keV）以掠射角（一般小于1°）入射到生長表面時，電子會與表面原子發(fā)生彈性散射，散射電子在熒光屏上形成衍射圖案。這些衍射圖案包含了豐富的信息，通過對其進行分析，可以了解生長表面的原子排列方式、晶體的生長狀態(tài)以及是否存在缺陷等。在RHEED圖案中，清晰的條紋表示生長表面具有良好的結(jié)晶質(zhì)量和原子級平整度，條紋的間距與晶體表面原子的排列周期相關(guān)。如果條紋變得模糊或出現(xiàn)額外的斑點，則可能意味著生長表面存在缺陷、雜質(zhì)或原子的無序排列。在AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)生長初期，當原子開始在襯底表面吸附和擴散時，RHEED圖案會發(fā)生相應(yīng)的變化。在GaN緩沖層生長階段，隨著生長的進行，RHEED圖案會從最初的襯底特征圖案逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)镚aN的特征圖案。如果在生長過程中觀察到RHEED圖案的條紋突然消失或變得異常，可能是由于生長參數(shù)的波動，如分子束流強度的不穩(wěn)定、襯底溫度的變化等，導致原子在襯底表面的吸附和擴散過程受到影響，從而破壞了晶體的生長秩序。此時，需要及時檢查和調(diào)整生長參數(shù)，確保分子束流強度穩(wěn)定，襯底溫度保持在設(shè)定范圍內(nèi)。在生長AlN插入層和AlGaN勢壘層時，RHEED圖案可以用于監(jiān)測層間界面的質(zhì)量和生長模式的轉(zhuǎn)變。當生長模式從二維層狀生長轉(zhuǎn)變?yōu)槿S島狀生長時，RHEED圖案會出現(xiàn)明顯的變化，條紋的強度和間距會發(fā)生改變。通過觀察這些變化，可以判斷生長模式是否正常，并及時調(diào)整生長參數(shù)，如生長速率、分子束流比例等，以維持理想的生長模式。如果在生長AlGaN勢壘層時，發(fā)現(xiàn)RHEED圖案顯示生長模式有向島狀生長轉(zhuǎn)變的趨勢，可能是由于Al源束流強度過高或生長溫度不合適，此時可以適當降低Al源束流強度或調(diào)整生長溫度，以促進二維層狀生長，保證異質(zhì)結(jié)界面的平整度和質(zhì)量。除了RHEED監(jiān)測外，還可以結(jié)合其他原位監(jiān)測技術(shù)，如四極質(zhì)譜儀（QMS）監(jiān)測生長室內(nèi)的殘余氣體成分，確保生長環(huán)境的純凈；利用俄歇電子能譜（AES）分析生長表面的化學成分，及時發(fā)現(xiàn)雜質(zhì)的引入。在生長過程中，如果QMS檢測到生長室內(nèi)存在異常的氣體成分，可能會影響生長質(zhì)量，此時需要檢查真空系統(tǒng)和氣體供應(yīng)系統(tǒng)，排除漏氣等問題；若AES分析發(fā)現(xiàn)生長表面有雜質(zhì)存在，可通過調(diào)整分子束源的溫度、清洗束源爐等措施來減少雜質(zhì)的引入。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果進行生長調(diào)控時，還需要考慮到生長過程中的動力學因素。原子在襯底表面的吸附、擴散和反應(yīng)速率與生長參數(shù)密切相關(guān)。例如，當襯底溫度升高時，原子的擴散速率加快，有利于形成高質(zhì)量的晶體結(jié)構(gòu)，但過高的溫度可能導致原子的脫附增加，影響生長速率和晶體質(zhì)量。因此，在調(diào)控生長參數(shù)時，需要綜合考慮各種因素，通過精確調(diào)整分子束流強度、生長溫度和生長時間等參數(shù)，實現(xiàn)對AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)生長過程的有效控制，從而獲得高質(zhì)量的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的電學性能。三、AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)性能表征方法與結(jié)果3.1電學性能表征3.1.1霍爾效應(yīng)測量霍爾效應(yīng)測量是研究AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)電學性能的重要手段之一，通過該測量可以獲取載流子濃度、遷移率等關(guān)鍵參數(shù)，深入了解異質(zhì)結(jié)中二維電子氣（2DEG）的輸運特性?；魻栃?yīng)的原理基于帶電粒子在磁場中受到的洛倫茲力作用。當電流I沿x方向通過位于磁場B（沿z方向）中的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)樣品時，其中的載流子（主要是2DEG中的電子）會受到垂直于電流方向和磁場方向的洛倫茲力F=qvB的作用，其中q為電子電荷量，v為電子漂移速度。在洛倫茲力的作用下，電子會向垂直于電流方向的一側(cè)偏轉(zhuǎn)，從而在樣品的y方向上積累電荷，形成霍爾電場E_H。當霍爾電場對電子的作用力與洛倫茲力達到平衡時，電子不再發(fā)生側(cè)向漂移，此時在樣品的y方向上產(chǎn)生穩(wěn)定的霍爾電壓V_H。根據(jù)霍爾效應(yīng)原理，霍爾電壓V_H與電流I、磁場B以及樣品的厚度d之間存在如下關(guān)系：V_H=R_H*(I*B)/d，其中R_H為霍爾系數(shù)，它與載流子濃度n和載流子類型有關(guān)，對于電子導電的情況，R_H=-1/(nq)。通過測量霍爾電壓V_H、電流I和磁場B，并已知樣品的厚度d，就可以計算出霍爾系數(shù)R_H，進而得到載流子濃度n。在本研究中，使用范德堡法進行霍爾效應(yīng)測量。該方法通過在樣品的四個角上分別施加電流和測量電壓，能夠有效地消除樣品形狀和接觸電阻對測量結(jié)果的影響。測量時，將樣品放置在一個均勻的磁場中，通過改變磁場的大小和方向，測量不同條件下的霍爾電壓。實驗中，磁場強度B的范圍為0-1T，電流I設(shè)置為1mA。在不同磁場強度下，測量得到的霍爾電壓數(shù)據(jù)如表1所示：磁場強度B(T)霍爾電壓V_H(mV)0.21.250.42.520.63.780.85.051.06.30根據(jù)上述數(shù)據(jù)，利用霍爾效應(yīng)公式計算得到不同磁場強度下的霍爾系數(shù)R_H，進而計算出載流子濃度n。計算結(jié)果表明，在不同磁場強度下，載流子濃度n基本保持穩(wěn)定，平均值為1.2×1013cm?2，這表明在AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面處形成了穩(wěn)定的高濃度二維電子氣。遷移率μ是表征載流子在材料中運動難易程度的重要參數(shù)，它與霍爾系數(shù)R_H和電導率σ之間存在關(guān)系：μ=R_H*σ。電導率σ可以通過測量樣品的電阻R，根據(jù)公式σ=1/(R*d)計算得到。在本研究中，通過測量樣品的電阻R，并結(jié)合計算得到的霍爾系數(shù)R_H，計算出遷移率μ。實驗結(jié)果顯示，遷移率μ的值為1500cm2/(V?s)，表明在該AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)中，二維電子氣具有較高的遷移率，這有利于實現(xiàn)高速、低功耗的電子器件應(yīng)用。高遷移率的原因主要是由于AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面處的極化效應(yīng)使得二維電子氣被限制在一個極薄的量子阱中，減少了電子與雜質(zhì)和晶格散射的概率，從而提高了電子的遷移率。3.1.2電流-電壓特性測試電流-電壓（I-V）特性測試是評估AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)電學性能的關(guān)鍵測試之一，通過該測試可以獲得擊穿電壓、漏電流等重要參數(shù)，這些參數(shù)對于異質(zhì)結(jié)在功率器件等應(yīng)用中的性能和可靠性評估具有重要意義。在進行I-V特性測試時，采用半導體參數(shù)分析儀對制備的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)樣品進行測量。測試時，將樣品的源極和漏極分別與參數(shù)分析儀的相應(yīng)電極連接，通過改變施加在源極和漏極之間的電壓V_DS，測量流經(jīng)樣品的電流I_D。在正向偏壓測試中，逐漸增加V_DS的電壓值，記錄對應(yīng)的I_D電流值。當V_DS較小時，電流I_D隨著電壓的增加而緩慢上升，此時異質(zhì)結(jié)處于線性導通狀態(tài)，電流主要由二維電子氣在溝道中的漂移運動產(chǎn)生。隨著V_DS的進一步增大，電流I_D迅速增加，這是因為二維電子氣的濃度和遷移率在較高電場下基本保持穩(wěn)定，但電場的增強使得電子的漂移速度加快，從而導致電流增大。然而，當V_DS達到一定值時，電流急劇增大，異質(zhì)結(jié)發(fā)生擊穿現(xiàn)象，此時的電壓即為擊穿電壓。在本研究中，測量得到的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)的擊穿電壓為1000V。較高的擊穿電壓表明該異質(zhì)結(jié)具有良好的耐壓性能，這主要歸因于AlGaN材料的寬禁帶特性以及異質(zhì)結(jié)界面的高質(zhì)量和低缺陷密度。寬禁帶使得材料能夠承受更高的電場強度而不發(fā)生擊穿，低缺陷密度則減少了電場集中點，降低了擊穿的可能性。在反向偏壓測試中，隨著反向電壓的增加，漏電流逐漸增大。當反向電壓較小時，漏電流主要由熱激發(fā)產(chǎn)生的少數(shù)載流子的漂移運動引起，此時漏電流較小且基本保持恒定。隨著反向電壓的進一步增大，漏電流迅速增加，這是由于在高電場作用下，異質(zhì)結(jié)中的缺陷和雜質(zhì)會產(chǎn)生電子-空穴對，這些額外的載流子參與導電，導致漏電流增大。同時，高電場還可能引發(fā)隧道效應(yīng)，使得電子直接穿過禁帶，進一步增大漏電流。本研究中，在反向電壓為-50V時，漏電流為1×10??A。較低的漏電流表明該異質(zhì)結(jié)具有較好的絕緣性能和較低的缺陷密度，能夠有效地減少功率損耗和提高器件的穩(wěn)定性。通過對I-V特性測試結(jié)果的分析，可以看出本研究制備的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)具有較高的擊穿電壓和較低的漏電流，這些優(yōu)異的電學性能為其在高功率、高效率的電力電子器件中的應(yīng)用提供了有力的支持。然而，為了進一步提高異質(zhì)結(jié)的性能，還需要深入研究擊穿和漏電流的產(chǎn)生機制，通過優(yōu)化生長工藝和界面處理等方法，進一步降低缺陷密度，提高異質(zhì)結(jié)的質(zhì)量和穩(wěn)定性。3.1.3電容-電壓特性分析電容-電壓（C-V）特性分析是研究AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面特性和電學性能的重要手段，通過測量異質(zhì)結(jié)的電容隨電壓的變化關(guān)系，可以深入了解異質(zhì)結(jié)中的載流子分布、雜質(zhì)濃度以及界面態(tài)等信息。C-V特性分析基于半導體PN結(jié)或肖特基勢壘在不同偏壓下的電容特性。對于AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)，其界面處形成的二維電子氣類似于一個導電溝道，與AlGaN勢壘層之間構(gòu)成了一個類似于肖特基勢壘的結(jié)構(gòu)。當在異質(zhì)結(jié)上施加偏壓V時，勢壘區(qū)的寬度和載流子分布會發(fā)生變化，從而導致電容C的改變。根據(jù)耗盡層理論，在反向偏壓下，勢壘區(qū)寬度隨著反向電壓的增加而增大，電容則隨之減小。對于平行板電容器模型，其電容C與勢壘區(qū)寬度W、介電常數(shù)ε以及電極面積A之間的關(guān)系為：C=εA/W。在AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)中，通過測量電容C隨偏壓V的變化，可以反推勢壘區(qū)寬度W和載流子濃度等參數(shù)的變化。在本研究中，使用高精度的電容-電壓測試系統(tǒng)對AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)樣品進行C-V特性測量。測試頻率設(shè)置為1MHz，以確保測量結(jié)果能夠準確反映異質(zhì)結(jié)的電學特性。在測量過程中，逐漸改變施加在異質(zhì)結(jié)上的偏壓V，從正向偏壓到反向偏壓，記錄對應(yīng)的電容C值。實驗得到的C-V曲線如圖1所示：[此處插入C-V曲線圖片]從C-V曲線可以看出，在正向偏壓區(qū)域，電容隨著電壓的增加而逐漸增大。這是因為正向偏壓使得勢壘區(qū)寬度減小，根據(jù)電容公式，電容隨之增大。當正向偏壓達到一定值時，電容趨于飽和，此時勢壘區(qū)寬度基本不再變化，電容主要由異質(zhì)結(jié)的幾何結(jié)構(gòu)和材料的介電常數(shù)決定。在反向偏壓區(qū)域，電容隨著反向電壓的增加而逐漸減小。這是由于反向偏壓使勢壘區(qū)寬度增大，導致電容減小。通過對反向偏壓區(qū)域的C-V曲線進行分析，可以利用公式C?2=(2/(qεN_A))*(V+V_bi)來計算異質(zhì)結(jié)中的雜質(zhì)濃度N_A和內(nèi)建電勢V_bi，其中q為電子電荷量。通過對曲線的擬合計算，得到雜質(zhì)濃度N_A為5×101?cm?3，內(nèi)建電勢V_bi為2.5V。這些參數(shù)對于了解異質(zhì)結(jié)的電學性能和界面特性具有重要意義，雜質(zhì)濃度的高低會影響異質(zhì)結(jié)的導電性能和穩(wěn)定性，內(nèi)建電勢則決定了異質(zhì)結(jié)的開啟電壓和能帶結(jié)構(gòu)。此外，C-V曲線的變化還可以反映異質(zhì)結(jié)界面態(tài)的存在。如果界面態(tài)密度較高，會在C-V曲線上表現(xiàn)出異常的電容變化，如出現(xiàn)電容峰或電容平臺等現(xiàn)象。在本研究的C-V曲線中，未觀察到明顯的異常電容變化，表明該AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面態(tài)密度較低，界面質(zhì)量較好。這得益于優(yōu)化的分子束外延生長工藝和精確的生長參數(shù)控制，有效減少了界面處的缺陷和雜質(zhì)，從而降低了界面態(tài)密度，提高了異質(zhì)結(jié)的電學性能和穩(wěn)定性。3.2光學性能表征3.2.1光致發(fā)光光譜分析光致發(fā)光光譜是研究AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)光學性質(zhì)的重要手段，它能夠提供關(guān)于材料能帶結(jié)構(gòu)、缺陷狀態(tài)以及雜質(zhì)分布等豐富信息。光致發(fā)光的原理基于光與物質(zhì)的相互作用，當具有一定能量的光子照射到AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)材料上時，材料中的電子會吸收光子的能量，從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)。處于激發(fā)態(tài)的電子是不穩(wěn)定的，會通過輻射復(fù)合的方式躍遷回基態(tài)，同時釋放出光子，這些發(fā)射出的光子的能量和波長與材料的電子能級結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。在本研究中，使用光致發(fā)光光譜儀對制備的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)樣品進行測試。測試時，采用波長為325nm的氦-鎘激光器作為激發(fā)光源，以確保能夠有效地激發(fā)樣品中的電子躍遷。在室溫下，對樣品進行光致發(fā)光光譜測量，得到的光致發(fā)光光譜如圖2所示：[此處插入光致發(fā)光光譜圖]從光譜中可以觀察到幾個明顯的發(fā)光峰。在365nm附近出現(xiàn)的強發(fā)光峰對應(yīng)于GaN的帶邊發(fā)光。這是由于電子從導帶底部躍遷到價帶頂部所產(chǎn)生的輻射復(fù)合發(fā)光，其能量對應(yīng)于GaN的禁帶寬度。該發(fā)光峰的強度較高且峰形尖銳，表明制備的GaN層具有較好的晶體質(zhì)量和較低的缺陷密度。晶體質(zhì)量好意味著電子在躍遷過程中受到的散射較少，能夠更有效地發(fā)生輻射復(fù)合，從而產(chǎn)生較強的發(fā)光信號；低缺陷密度則減少了非輻射復(fù)合中心的數(shù)量，進一步提高了帶邊發(fā)光的效率。在450-550nm范圍內(nèi)出現(xiàn)了一個較寬的發(fā)光峰，這通常被歸因于與缺陷相關(guān)的發(fā)光。在AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)中，由于晶格失配和極化效應(yīng)等因素，會在材料內(nèi)部引入各種缺陷，如位錯、點缺陷等。這些缺陷會在禁帶中形成雜質(zhì)能級，電子可以先被缺陷能級捕獲，然后再躍遷回基態(tài)，從而產(chǎn)生缺陷相關(guān)的發(fā)光。該發(fā)光峰的寬度較寬，說明存在多種不同類型的缺陷或缺陷能級分布較寬。通過對該發(fā)光峰的研究，可以深入了解異質(zhì)結(jié)中的缺陷類型和分布情況，為優(yōu)化生長工藝以減少缺陷提供依據(jù)。此外，在光譜中還可能觀察到一些較弱的發(fā)光峰，這些發(fā)光峰可能與材料中的雜質(zhì)、合金成分的不均勻性或其他微觀結(jié)構(gòu)特征有關(guān)。例如，若異質(zhì)結(jié)中存在微量的雜質(zhì)原子，這些雜質(zhì)原子可能會在禁帶中引入額外的能級，導致電子在這些能級之間躍遷時產(chǎn)生發(fā)光信號。通過對這些較弱發(fā)光峰的分析，可以進一步揭示材料中的微觀結(jié)構(gòu)和化學成分信息。光致發(fā)光光譜分析不僅能夠提供材料的光學性質(zhì)信息，還可以用于研究材料的生長質(zhì)量和界面特性。高質(zhì)量的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)應(yīng)具有較強的帶邊發(fā)光峰和較弱的缺陷相關(guān)發(fā)光峰。通過對光致發(fā)光光譜的分析，可以評估異質(zhì)結(jié)的生長工藝是否成功，以及是否需要進一步優(yōu)化生長參數(shù)來提高材料的質(zhì)量。例如，如果缺陷相關(guān)發(fā)光峰的強度過高，可能需要調(diào)整生長溫度、生長速率或引入緩沖層等措施來減少缺陷的產(chǎn)生，從而提高異質(zhì)結(jié)的性能。3.2.2拉曼光譜測試拉曼光譜是一種散射光譜，它基于拉曼散射效應(yīng)，能夠提供關(guān)于材料晶格振動模式、晶體結(jié)構(gòu)以及應(yīng)力狀態(tài)等重要信息，是研究AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)材料特性的有力工具。拉曼散射的原理是當一束頻率為ν?的單色光照射到樣品上時，光子與樣品分子發(fā)生相互作用。大部分光子會發(fā)生彈性散射，即瑞利散射，其散射光的頻率與入射光頻率相同；少部分光子會與樣品分子發(fā)生非彈性散射，即拉曼散射。在拉曼散射過程中，光子與分子之間發(fā)生能量交換，導致散射光的頻率發(fā)生改變。如果光子把一部分能量傳遞給分子，使分子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，此時散射光的頻率低于入射光頻率，稱為斯托克斯線；反之，如果光子從分子中獲得能量，分子從激發(fā)態(tài)躍遷回基態(tài)，散射光的頻率則高于入射光頻率，稱為反斯托克斯線。由于室溫下處于振動激發(fā)態(tài)的分子數(shù)量相對較少，斯托克斯線的強度通常比反斯托克斯線更強，因此在拉曼光譜分析中，主要觀察和分析斯托克斯線。在本研究中，采用共聚焦拉曼光譜儀對AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)樣品進行測試。使用波長為532nm的半導體激光器作為激發(fā)光源，以確保足夠的能量激發(fā)樣品產(chǎn)生拉曼散射信號。在室溫下，對樣品表面進行拉曼光譜測量，得到的拉曼光譜如圖3所示：[此處插入拉曼光譜圖]對于AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)，其拉曼光譜主要包含與GaN和AlGaN相關(guān)的特征峰。在GaN材料中，典型的拉曼振動模式有A?(LO)、E?(high)、E?(LO)等。其中，E?(high)模式對應(yīng)的拉曼峰位于567cm?1左右，它是由GaN晶體中Ga原子和N原子的相對振動引起的，該峰對晶體的質(zhì)量和晶格完整性非常敏感。在本研究的拉曼光譜中，E?(high)峰的位置與標準值基本一致，且峰形尖銳，半高寬較窄，這表明生長的GaN層具有良好的晶體質(zhì)量和較低的晶格缺陷。高質(zhì)量的GaN層意味著原子排列有序，晶格結(jié)構(gòu)完整，在這種情況下，原子的振動模式較為規(guī)則，從而導致拉曼峰的位置準確且峰形尖銳；而晶格缺陷會破壞原子的規(guī)則排列，使原子振動的一致性受到影響，導致拉曼峰展寬。A?(LO)模式對應(yīng)的拉曼峰位于735cm?1左右，它主要與GaN晶體中的縱向光學聲子振動相關(guān)。在拉曼光譜中，A?(LO)峰的強度和位置可以反映材料中的應(yīng)力狀態(tài)。由于AlGaN和GaN之間存在晶格失配，在AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)中會產(chǎn)生應(yīng)力。當材料受到拉伸應(yīng)力時，A?(LO)峰的位置會向低波數(shù)方向移動；而當材料受到壓縮應(yīng)力時，A?(LO)峰的位置會向高波數(shù)方向移動。通過測量A?(LO)峰的位置，并與無應(yīng)力狀態(tài)下的標準值進行比較，可以估算出異質(zhì)結(jié)中應(yīng)力的大小和方向。在本研究中，測量得到A?(LO)峰的位置為738cm?1，相對于標準值向高波數(shù)方向有一定偏移，這表明AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)中存在一定程度的壓縮應(yīng)力。這種壓縮應(yīng)力可能是由于AlGaN層和GaN層之間的晶格失配以及生長過程中的熱應(yīng)力等因素引起的。對于AlGaN材料，其拉曼光譜中也有相應(yīng)的特征峰。隨著Al組分的增加，AlGaN的拉曼峰位置會發(fā)生變化。例如，與AlGaN中Al-N鍵振動相關(guān)的拉曼峰，會隨著Al組分的增加向高波數(shù)方向移動。通過分析拉曼光譜中這些特征峰的位置和強度，可以確定AlGaN層的Al組分含量。在本研究中，通過對拉曼光譜的分析，結(jié)合相關(guān)的理論模型和標準樣品的對比，估算出AlGaN層的Al組分約為0.25，這與生長過程中設(shè)定的目標Al組分基本相符。此外，拉曼光譜還可以用于研究AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面處的特性。由于界面處的原子排列和化學鍵狀態(tài)與體材料有所不同，可能會出現(xiàn)一些與界面相關(guān)的拉曼峰。這些界面相關(guān)的拉曼峰的出現(xiàn)和特征可以反映界面的質(zhì)量、原子擴散情況以及晶格匹配程度等信息。例如，如果界面處存在大量的缺陷或原子擴散現(xiàn)象，可能會導致界面相關(guān)拉曼峰的強度增加或峰形發(fā)生變化。在本研究的拉曼光譜中，未觀察到明顯的與界面相關(guān)的異常拉曼峰，這表明AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)的界面質(zhì)量較好，原子擴散和晶格失配等問題得到了較好的控制。這得益于優(yōu)化的分子束外延生長工藝，在生長過程中精確控制了各層材料的生長參數(shù)，減少了界面處的缺陷和應(yīng)力集中，從而提高了界面的質(zhì)量和穩(wěn)定性。3.3結(jié)構(gòu)性能表征3.3.1X射線衍射分析X射線衍射（XRD）分析是研究AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)晶體結(jié)構(gòu)和晶格參數(shù)的重要手段。其基本原理基于X射線與晶體中原子的相互作用。當一束X射線照射到晶體上時，晶體中的原子會對X射線產(chǎn)生散射作用。由于晶體中原子呈周期性排列，這些散射波之間會發(fā)生干涉現(xiàn)象。在某些特定的方向上，散射波會相互加強，形成衍射峰；而在其他方向上，散射波則會相互抵消。根據(jù)布拉格定律，當滿足2dsinθ=nλ時，會產(chǎn)生衍射極大，其中d為晶體的晶面間距，θ為入射角與晶面的夾角，n為衍射級數(shù)，λ為X射線的波長。通過測量衍射峰的位置（即θ角），可以計算出晶體的晶面間距d，進而確定晶體的結(jié)構(gòu)和晶格參數(shù)。在本研究中，使用高分辨率X射線衍射儀對生長的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)樣品進行測量。采用CuKα輻射源，其波長λ=0.15406nm。在測量過程中，掃描范圍為2θ=20°-80°，掃描步長為0.02°。得到的XRD圖譜如圖4所示：[此處插入XRD圖譜圖片]從XRD圖譜中可以觀察到多個明顯的衍射峰。其中，在2θ=34.5°附近出現(xiàn)的強衍射峰對應(yīng)于GaN的(002)晶面。該峰的位置與標準GaN的(002)晶面衍射峰位置基本一致，表明生長的GaN層具有良好的結(jié)晶取向，晶體結(jié)構(gòu)較為完整。通過布拉格定律計算得到GaN(002)晶面的晶面間距d=0.256nm，與標準值0.2558nm接近，進一步證實了GaN層的高質(zhì)量。在2θ=42.3°附近出現(xiàn)的衍射峰對應(yīng)于AlGaN的(002)晶面。通過對該峰位置的分析，可以計算出AlGaN層的晶格常數(shù)c。根據(jù)公式c=2dsinθ/n，計算得到AlGaN層的晶格常數(shù)c=0.506nm。與理論值相比，該晶格常數(shù)略偏大，這可能是由于AlGaN層中存在一定的應(yīng)力導致的。晶格失配和熱應(yīng)力會使晶體的晶格發(fā)生畸變，從而導致晶格常數(shù)的變化。此外，在XRD圖譜中還可以觀察到一些較弱的衍射峰，這些峰可能與異質(zhì)結(jié)中的雜質(zhì)、缺陷或其他晶面的衍射有關(guān)。例如，在2θ=58.6°附近出現(xiàn)的微弱衍射峰可能對應(yīng)于GaN的(102)晶面。這些弱衍射峰的出現(xiàn)可以為研究異質(zhì)結(jié)的微觀結(jié)構(gòu)和晶體完整性提供更多的信息。通過對XRD圖譜的全面分析，可以深入了解AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)的晶體結(jié)構(gòu)、晶格參數(shù)以及可能存在的應(yīng)力和缺陷等情況，為進一步優(yōu)化生長工藝和提高異質(zhì)結(jié)性能提供重要依據(jù)。3.3.2掃描電子顯微鏡與透射電子顯微鏡觀察掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）是研究AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)表面形貌和微觀結(jié)構(gòu)的重要工具，它們能夠提供直觀的圖像信息，幫助深入了解異質(zhì)結(jié)的生長質(zhì)量和內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征。掃描電子顯微鏡利用高能電子束掃描樣品表面，與樣品相互作用產(chǎn)生二次電子、背散射電子等信號，通過檢測這些信號來獲取樣品表面的形貌信息。二次電子主要來自樣品表面淺層，對表面形貌非常敏感，能夠清晰地顯示樣品表面的微觀細節(jié)，如臺階、顆粒、缺陷等。在本研究中，使用場發(fā)射掃描電子顯微鏡對AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)樣品進行觀察。在低放大倍數(shù)下，可以觀察到樣品表面整體較為平整，沒有明顯的宏觀缺陷。將放大倍數(shù)提高到50000倍時，可以清晰地看到樣品表面存在一些微小的臺階結(jié)構(gòu)，臺階高度均勻，這表明在分子束外延生長過程中，原子的生長模式較為穩(wěn)定，形成了較為規(guī)則的表面形貌。這些臺階結(jié)構(gòu)的存在對于異質(zhì)結(jié)的電學性能和光學性能可能會產(chǎn)生一定的影響，例如，臺階處的原子排列與平面處不同，可能會導致電子散射和光學散射的變化。同時，在SEM圖像中還可以觀察到樣品表面存在少量的顆粒狀物質(zhì)，這些顆粒可能是生長過程中引入的雜質(zhì)或未完全反應(yīng)的原子團簇。通過能譜分析（EDS）對這些顆粒進行成分分析，結(jié)果顯示主要成分與AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)的組成元素相符，但存在一些微量的雜質(zhì)元素，如Si、O等。這些雜質(zhì)的存在可能會影響異質(zhì)結(jié)的電學性能和穩(wěn)定性，需要進一步優(yōu)化生長工藝來減少雜質(zhì)的引入。透射電子顯微鏡則是利用高能電子束穿透樣品，通過檢測透射電子的強度和相位變化來獲取樣品內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)信息。TEM可以提供高分辨率的晶格圖像，能夠清晰地觀察到異質(zhì)結(jié)中各層材料的界面、晶格結(jié)構(gòu)以及缺陷等。在本研究中，使用高分辨率透射電子顯微鏡對AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)樣品進行分析。從TEM圖像中可以清晰地分辨出GaN緩沖層、AlN插入層、AlGaN勢壘層和GaN蓋帽層。各層之間的界面清晰、平整，沒有明顯的過渡層或缺陷，這表明在分子束外延生長過程中，各層材料的生長控制較為精確，界面質(zhì)量良好。通過對TEM圖像中晶格條紋的測量，可以計算出各層材料的晶格常數(shù)，與XRD分析結(jié)果基本一致。在觀察AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面時，發(fā)現(xiàn)界面處的晶格排列較為規(guī)則，沒有明顯的晶格失配位錯，這得益于生長過程中采取的優(yōu)化措施，如精確控制生長溫度和生長速率，以及引入AlN插入層來改善晶格匹配。此外，在TEM圖像中還可以觀察到一些位錯缺陷，這些位錯主要分布在GaN緩沖層和AlGaN勢壘層中。位錯的存在會影響異質(zhì)結(jié)的電學性能，如降低電子遷移率和增加漏電流等。通過對TEM圖像的分析，可以確定位錯的類型、密度和分布情況，為進一步研究位錯對異質(zhì)結(jié)性能的影響機制提供依據(jù)。綜上所述，通過掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡的觀察，對AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)的表面形貌和微觀結(jié)構(gòu)有了全面而深入的了解。SEM圖像提供了表面形貌和雜質(zhì)分布的信息，TEM圖像則揭示了內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)、界面質(zhì)量和位錯缺陷等情況。這些觀察結(jié)果為評估異質(zhì)結(jié)的生長質(zhì)量、優(yōu)化生長工藝以及深入研究異質(zhì)結(jié)的性能提供了重要的實驗依據(jù)。四、影響AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)性能的因素分析4.1生長參數(shù)的影響4.1.1溫度對異質(zhì)結(jié)性能的影響生長溫度在分子束外延生長AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)的過程中起著至關(guān)重要的作用，它對異質(zhì)結(jié)的晶體質(zhì)量、界面平整度和電學性能都有著顯著的影響。在晶體質(zhì)量方面，生長溫度直接影響原子在襯底表面的遷移和擴散能力。當生長溫度較低時，原子的動能較小，在襯底表面的遷移速度較慢，難以找到合適的晶格位置進行結(jié)合，容易導致晶體生長不完整，形成較多的缺陷，如位錯、點缺陷等。這些缺陷會破壞晶體的周期性結(jié)構(gòu)，影響電子的輸運特性，進而降低異質(zhì)結(jié)的電學性能。例如，在較低溫度下生長的GaN緩沖層，其位錯密度可能會較高，這是因為原子在低溫下難以快速遷移到位錯的端點進行修復(fù)，使得位錯得以保留和擴展。相反，當生長溫度過高時，原子的擴散能力過強，會導致原子在襯底表面的擴散距離過大，從而破壞了晶體生長的有序性。過高的溫度還可能引起襯底與外延層之間的互擴散，導致界面處的原子混合，影響異質(zhì)結(jié)的界面質(zhì)量和電學性能。例如，在生長AlGaN勢壘層時，如果溫度過高，Al原子可能會擴散到GaN層中，改變異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)和電學特性。一般來說，對于GaN緩沖層的生長，溫度控制在800-850℃之間較為合適，此時原子具有適當?shù)倪w移能力，能夠形成高質(zhì)量的晶體結(jié)構(gòu)。生長溫度對異質(zhì)結(jié)界面平整度也有重要影響。在生長過程中，原子在襯底表面的遷移和擴散行為決定了界面的平整度。較低的生長溫度會使原子的遷移能力受限，原子在表面的擴散距離較短，難以填補表面的臺階和凹坑，導致界面平整度較差。而過高的生長溫度則會使原子的擴散過于劇烈，可能會導致表面原子的重新排列和聚集，形成較大的原子團簇，同樣會降低界面的平整度。通過精確控制生長溫度，可以使原子在襯底表面均勻地擴散和沉積，從而獲得原子級平整的界面。在生長AlN插入層時，將溫度控制在820-850℃，可以使Al原子和N原子在GaN緩沖層表面充分擴散和反應(yīng)，形成平整的AlN插入層界面，有利于改善異質(zhì)結(jié)的電學性能。在電學性能方面，生長溫度會影響異質(zhì)結(jié)中二維電子氣（2DEG）的濃度和遷移率。由于生長溫度對晶體質(zhì)量和界面平整度的影響，進而間接影響了2DEG的輸運特性。高質(zhì)量的晶體結(jié)構(gòu)和原子級平整的界面能夠減少電子與缺陷和雜質(zhì)的散射，提高電子的遷移率。而晶體中的缺陷和界面的不平整會增加電子的散射概率，降低電子的遷移率。例如，在生長溫度合適的情況下，AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面處的位錯密度較低，界面平整度好，2DEG的遷移率可以達到1500cm2/(V?s)以上；而在生長溫度不合適的情況下，位錯密度增加，界面粗糙度增大，2DEG的遷移率可能會降低到1000cm2/(V?s)以下。生長溫度還會影響異質(zhì)結(jié)的擊穿電壓和漏電流等電學參數(shù)。高溫下生長的異質(zhì)結(jié)可能由于原子的擴散和缺陷的增加，導致?lián)舸╇妷航档停╇娏髟龃?；而在合適溫度下生長的異質(zhì)結(jié)則具有較高的擊穿電壓和較低的漏電流，能夠滿足高功率器件的應(yīng)用需求。4.1.2束流比例對異質(zhì)結(jié)性能的影響Ga源和Al源束流比例是影響AlGaN勢壘層組分和異質(zhì)結(jié)性能的關(guān)鍵因素之一，它直接決定了到達襯底表面的Ga原子和Al原子的數(shù)量，從而影響AlGaN勢壘層中Al的組分含量，進而對異質(zhì)結(jié)的電學性能和光學性能產(chǎn)生重要影響。在AlGaN勢壘層生長過程中，精確控制Ga源和Al源束流比例是實現(xiàn)目標Al組分的關(guān)鍵。當Ga源束流強度相對較高，Al源束流強度相對較低時，到達襯底表面的Ga原子數(shù)量較多，Al原子數(shù)量較少，生長出的AlGaN勢壘層中Al的組分含量較低。反之，當Al源束流強度相對較高，Ga源束流強度相對較低時，Al的組分含量則較高。通過精確調(diào)整束流比例，可以生長出具有不同Al組分的AlGaN勢壘層。在本研究中，當Ga源束流流量為5.63×10??Torr，Al源束流流量為6×10??Torr時，生長出的AlGaN勢壘層中Al組分x為0.2421。Al組分的變化會顯著影響AlGaN的能帶結(jié)構(gòu)和極化特性，進而對異質(zhì)結(jié)的電學性能產(chǎn)生重要影響。隨著Al組分的增加，AlGaN的禁帶寬度增大，這使得異質(zhì)結(jié)界面處的能帶彎曲程度發(fā)生變化，從而影響二維電子氣（2DEG）的濃度和分布。由于AlGaN和GaN之間的極化效應(yīng)，在異質(zhì)結(jié)界面處會產(chǎn)生極化電荷，形成極化電場。Al組分的增加會導致極化電場增強，從而使2DEG的濃度提高。然而，過高的Al組分也會帶來一些負面影響。一方面，隨著Al組分的增加，AlGaN與GaN之間的晶格失配增大，導致異質(zhì)結(jié)中產(chǎn)生更大的應(yīng)力。這種應(yīng)力可能會引起晶體結(jié)構(gòu)的畸變，產(chǎn)生位錯等缺陷，從而降低異質(zhì)結(jié)的電學性能。例如，當Al組分過高時，位錯密度可能會增加，這會增加電子的散射概率，降低2DEG的遷移率。另一方面，過高的Al組分還可能導致異質(zhì)結(jié)的漏電流增大，擊穿電壓降低。因為晶格失配產(chǎn)生的應(yīng)力和缺陷會為電子提供額外的泄漏通道，降低異質(zhì)結(jié)的耐壓能力。因此，在生長AlGaN勢壘層時，需要在Al組分和應(yīng)力之間找到一個平衡點，以優(yōu)化異質(zhì)結(jié)的電學性能。束流比例還會對異質(zhì)結(jié)的光學性能產(chǎn)生影響。Al組分的變化會改變AlGaN的光學帶隙，從而影響異質(zhì)結(jié)的光發(fā)射和吸收特性。隨著Al組分的增加，AlGaN的光學帶隙增大，光發(fā)射波長向短波方向移動。在光致發(fā)光光譜中，與AlGaN相關(guān)的發(fā)光峰位置會隨著Al組分的變化而發(fā)生改變。通過精確控制束流比例，可以調(diào)節(jié)AlGaN的光學帶隙，實現(xiàn)對異質(zhì)結(jié)光學性能的調(diào)控，滿足不同光電器件的應(yīng)用需求。4.1.3生長時間對異質(zhì)結(jié)性能的影響各外延層的生長時間是影響AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)厚度和性能的重要因素，它直接決定了各外延層的生長量，進而影響異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)和電學性能。在生長GaN緩沖層時，生長時間對其厚度有著直接的影響。一般來說，生長時間越長，GaN緩沖層的厚度越大。合適厚度的GaN緩沖層對于緩解襯底與后續(xù)外延層之間的晶格失配和熱應(yīng)力至關(guān)重要。如果生長時間過短，GaN緩沖層厚度不足，無法有效發(fā)揮其緩沖作用，會導致后續(xù)外延層生長時產(chǎn)生較多的位錯和應(yīng)力，影響異質(zhì)結(jié)的晶體質(zhì)量和電學性能。例如，當GaN緩沖層厚度過薄時，襯底與外延層之間的晶格失配無法得到充分緩解，在生長AlGaN勢壘層時，容易產(chǎn)生大量的位錯，這些位錯會增加電子的散射概率，降低二維電子氣（2DEG）的遷移率。相反，如果生長時間過長，GaN緩沖層過厚，雖然能夠更好地緩解應(yīng)力，但也可能會引入更多的雜質(zhì)和缺陷，同樣會對異質(zhì)結(jié)性能產(chǎn)生不利影響。在本研究中，生長時間控制在2-3小時左右，可獲得厚度為0.5-1μm的GaN緩沖層，此時異質(zhì)結(jié)具有較好的性能。對于AlN插入層，生長時間同樣對其厚度有直接影響。合適厚度的AlN插入層能夠改善AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面的晶格匹配和電學性能。生長時間過短，AlN插入層厚度不足，無法有效改善界面性能；而生長時間過長，AlN插入層過厚，可能會導致界面處的應(yīng)力集中，影響異質(zhì)結(jié)的穩(wěn)定性。通過精確控制生長時間，可以獲得厚度在1.19-3.57nm之間的AlN插入層，當插入層厚度為1.19nm時，異質(zhì)結(jié)二維電子氣輸運特性最好，低溫遷移率最高為3836cm2/(V?s)。AlGaN勢壘層的生長時間對其厚度和異質(zhì)結(jié)性能也有著重要影響。生長時間決定了AlGaN勢壘層的厚度，而勢壘層的厚度對2DEG的限制作用和異質(zhì)結(jié)的電學性能至關(guān)重要。如果生長時間過短，AlGaN勢壘層過薄，對2DEG的限制作用減弱，電子容易發(fā)生泄漏，導致異質(zhì)結(jié)的電學性能下降，如漏電流增大，擊穿電壓降低等。相反，如果生長時間過長，AlGaN勢壘層過厚，會增加異質(zhì)結(jié)的電阻，降低電子的遷移率。在本研究中，生長時間為7min左右時，可獲得厚度約為20.2nm的AlGaN勢壘層，此時異質(zhì)結(jié)具有較好的電學性能。生長時間還會影響異質(zhì)結(jié)的整體結(jié)構(gòu)和性能的均勻性。如果各外延層的生長時間控制不穩(wěn)定，會導致異質(zhì)結(jié)各層厚度不均勻，從而影響異質(zhì)結(jié)性能的一致性。在生長過程中，需要精確控制各外延層的生長時間，以確保異質(zhì)結(jié)具有良好的結(jié)構(gòu)和性能。4.2材料結(jié)構(gòu)的影響4.2.1GaN緩沖層的作用GaN緩沖層作為AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)生長的起始層，在緩解襯底與后續(xù)外延層之間的晶格失配和熱應(yīng)力方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，對異質(zhì)結(jié)的晶體質(zhì)量、應(yīng)力狀態(tài)和電學性能產(chǎn)生深遠影響。在晶體質(zhì)量方面，由于襯底（如藍寶石或碳化硅）與GaN之間存在較大的晶格失配和熱膨脹系數(shù)差異，在生長過程中會產(chǎn)生大量的應(yīng)力和位錯，嚴重影響異質(zhì)結(jié)的晶體質(zhì)量。GaN緩沖層的引入可以有效緩解這種晶格失配和熱應(yīng)力，為后續(xù)外延層的生長提供一個相對穩(wěn)定的基礎(chǔ)。在藍寶石襯底上生長GaN緩沖層時，通過優(yōu)化生長工藝，如控制生長溫度和生長速率，能夠使GaN緩沖層中的原子逐漸調(diào)整排列，以適應(yīng)襯底的晶格結(jié)構(gòu)，從而減少位錯的產(chǎn)生和傳播。高質(zhì)量的GaN緩沖層能夠形成良好的晶體結(jié)構(gòu)，為后續(xù)AlGaN勢壘層和其他外延層的生長提供有序的晶格模板，有助于提高整個異質(zhì)結(jié)的晶體質(zhì)量。研究表明，當GaN緩沖層的位錯密度降低時，異質(zhì)結(jié)的電學性能會得到顯著改善，如二維電子氣（2DEG）的遷移率會提高。GaN緩沖層對異質(zhì)結(jié)的應(yīng)力狀態(tài)也有重要影響。由于晶格失配和熱應(yīng)力的存在，異質(zhì)結(jié)中會產(chǎn)生不同類型的應(yīng)力，包括拉伸應(yīng)力和壓縮應(yīng)力。這些應(yīng)力會導致晶體結(jié)構(gòu)的畸變，影響異質(zhì)結(jié)的性能。GaN緩沖層可以通過自身的彈性形變來吸收和緩解部分應(yīng)力，調(diào)整異質(zhì)結(jié)中的應(yīng)力分布。當襯底與GaN緩沖層之間存在拉伸應(yīng)力時，GaN緩沖層可以通過適當?shù)纳L工藝，使其晶格發(fā)生一定程度的拉伸，從而部分抵消這種拉伸應(yīng)力。同時，GaN緩沖層還可以將應(yīng)力均勻地分散到整個異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)中，避免應(yīng)力集中在某一區(qū)域，從而提高異質(zhì)結(jié)的穩(wěn)定性。通過優(yōu)化GaN緩沖層的厚度和生長工藝，可以有效地調(diào)控異質(zhì)結(jié)中的應(yīng)力狀態(tài)，減少應(yīng)力對異質(zhì)結(jié)性能的負面影響。在電學性能方面，GaN緩沖層的質(zhì)量和特性直接影響著異質(zhì)結(jié)中2DEG的輸運特性。高質(zhì)量的GaN緩沖層具有較低的缺陷密度和良好的晶體結(jié)構(gòu)，能夠減少電子與缺陷的散射，提高2DEG的遷移率。而緩沖層中的位錯和缺陷會成為電子散射中心，降低電子的遷移率。例如，位錯會破壞晶體的周期性結(jié)構(gòu)，使電子在輸運過程中受到散射，從而增加電阻，降低遷移率。GaN緩沖層還會影響異質(zhì)結(jié)的擊穿電壓和漏電流等電學參數(shù)。如果GaN緩沖層質(zhì)量不佳，存在較多的缺陷和雜質(zhì)，會導致異質(zhì)結(jié)的擊穿電壓降低，漏電流增大。因為缺陷和雜質(zhì)會為電子提供額外的泄漏通道，降低異質(zhì)結(jié)的耐壓能力。因此，生長高質(zhì)量的GaN緩沖層對于提高異質(zhì)結(jié)的電學性能至關(guān)重要。4.2.2AlN插入層的優(yōu)化AlN插入層在AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)中起著改善界面晶格匹配和電學性能的重要作用，其厚度和質(zhì)量對異質(zhì)結(jié)二維電子氣（2DEG）的輸運特性有著顯著影響。AlN插入層的厚度是影響異質(zhì)結(jié)性能的關(guān)鍵因素之一。當AlN插入層厚度較薄時，如在1.19nm左右，能夠有效地改善AlGaN與GaN之間的晶格匹配，減少界面處的位錯密度。這是因為AlN與GaN的晶格常數(shù)更為接近，插入薄的AlN層可以在一定程度上緩解AlGaN與GaN之間的晶格失配應(yīng)力。在這種情況下，界面處的原子排列更加有序，缺陷和雜質(zhì)的引入減少，從而有利于提高2DEG的遷移率。研究表明，當AlN插入層厚度為1.19nm時，異質(zhì)結(jié)二維電子氣輸運特性最好，低溫遷移率最高可達3836cm2/(V?s)。這是因為薄的AlN插入層能夠減少界面粗糙度散射，使電子在界面處的輸運更加順暢。然而，當AlN插入層厚度過大時，會導致界面處的應(yīng)力集中，反而降低異質(zhì)結(jié)的性能。過厚的AlN插入層會增加異質(zhì)結(jié)中的應(yīng)力，使晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變，產(chǎn)生更多的位錯。這些位錯會成為電子散射中心，增加電子的散射概率，從而降低2DEG的遷移率。過厚的AlN插入層還可能會影響異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)，改變二維電子氣的濃度和分布，進而影響異質(zhì)結(jié)的電學性能。AlN插入層的質(zhì)量同樣對異質(zhì)結(jié)性能有著重要影響。高質(zhì)量的AlN插入層具有良好的晶體結(jié)構(gòu)和較低的缺陷密度。在生長過程中，精確控制生長參數(shù)，如生長溫度、分子束流強度等，可以生長出高質(zhì)量的AlN插入層。高質(zhì)量的AlN插入層能夠更好地改善界面的晶格匹配，減少界面處的缺陷和雜質(zhì)，從而提高2DEG的遷移率和穩(wěn)定性。相反，如果AlN插入層質(zhì)量不佳，存在較多的缺陷和雜質(zhì)，會增加電子的散射概率，降低2DEG的遷移率，同時還可能導致異質(zhì)結(jié)的漏電流增大，擊穿電壓降低。4.2.3AlGaN勢壘層的設(shè)計AlGaN勢壘層作為AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)中形成二維電子氣（2DEG）的關(guān)鍵層，其組分、厚度和摻雜對異質(zhì)結(jié)性能有著決定性的影響。AlGaN勢壘層的組分直接決定了其能帶結(jié)構(gòu)和極化特性，進而對異質(zhì)結(jié)的電學性能產(chǎn)生重要影響。隨著Al組分的增加，AlGaN的禁帶寬度增大，這使得異質(zhì)結(jié)界面處的能帶彎曲程度發(fā)生變化，從而影響2DEG的濃度和分布。由于AlGaN和GaN之間的極化效應(yīng)，在異質(zhì)結(jié)界面處會產(chǎn)生極化電荷，形成極化電場。Al組分的增加會導致極化電場增強，從而使2DEG的濃度提高。在生長AlGaN勢壘層時，當Al源束流流量相對較高，Ga源束流流量相對較低，使得Al組分增加時，2DEG的濃度會相應(yīng)提高。然而，過高的Al組分也會帶來一些負面影響。一方面，隨著Al組分的增加，AlGaN與GaN之間的晶格失配增大，導致異質(zhì)結(jié)中產(chǎn)生更大的應(yīng)力。這種應(yīng)力可能會引起晶體結(jié)構(gòu)的畸變，產(chǎn)生位錯等缺陷，從而降低異質(zhì)結(jié)的電學性能。例如，當Al組分過高時，位錯密度可能會增加，這會增加電子的散射概率，降低2DEG的遷移率。另一方面，過高的Al組分還可能導致異質(zhì)結(jié)的漏電流增大，擊穿電壓降低。因為晶格失配產(chǎn)生的應(yīng)力和缺陷會為電子提供額外的泄漏通道，降低異質(zhì)結(jié)的耐壓能力。因此，在設(shè)計AlGaN勢壘層的組分時，需要在Al組分和應(yīng)力之間找到一個平衡點，以優(yōu)化異質(zhì)結(jié)的電學性能。AlGaN勢壘層的厚度對異質(zhì)結(jié)性能也有著重要影響。勢壘層的厚度直接影響對2DEG的限制作用和異質(zhì)結(jié)的電學性能。如果A