突破氮化镓-氧化镓异质结的极化调控，为下一代功率电子器件开辟新路径

《physica status solidi (b)–– basic solid state physics》：Ga2O3/(Al)GaN Heterostructures for Next Generation Power Electronics

为解决氧化镓(Ga2O3)因低热导率和有限载流子迁移率导致的器件性能瓶颈，研究人员通过外延层与应变工程，成功制备了N极性κ-Ga2O3/AlGaN/AlN异质结构，实现了在77 K下高达691 cm2V?1s?1的电子迁移率。该研究阐明了极化效应对二维电子气(2DEG)形成的关键作用，为发展高性能、高效率的功率与射频器件奠定了重要基础。

　　

在追求更高效、更紧凑电子设备的道路上，功率半导体材料扮演着“心脏”的角色。然而，传统的硅(Si)基材料已逼近其物理极限。以碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)为代表的宽禁带半导体虽然带来了突破，但面对未来对极端条件下更高性能的渴望，科学家们将目光投向了禁带更宽的超宽带隙半导体(UWBG)。其中，氧化镓(Ga₂O₃)以其超过4.8 eV的带隙、极高的临界击穿电场(约9 MV/cm)以及可获得大面积高质量外延薄膜等优势，被视为下一代高功率、高电压电子器件的“明日之星”。

但这位“明星”材料并非完美无缺。它的“先天不足”制约了其走向实际应用：一是“怕热”，其极低的热导率导致器件工作时产生的热量难以散发，成为可靠性的一大杀手；二是“跑不快”，其相对较低的载流子迁移率限制了它在高频、高速开关应用中的表现。此外，氧化镓至今尚未实现有效的p型掺杂，这也为器件设计带来了挑战。为了解决这些难题，科学家们想到了一条巧妙的思路：为氧化镓寻找一个理想的“搭档”，构建异质结。这个“搭档”需要具备出色的导热能力，以帮助氧化镓散热，同时最好还能带来额外的“增益”，提升电荷传输效率。其中，III族氮化物（特别是氮化铝AlN和氮化镓GaN）凭借其高热导率和独特的自发极化与压电极化效应，成为了备受瞩目的候选者。它们的强极化场有望在异质结界面诱导形成高密度的二维电子气(2DEG)，从而极大提升载流子迁移率，这正是高速开关器件所急需的特性。

然而，将两种材料结合并非简单堆叠。不同材料间的晶格失配、界面缺陷、能带对齐以及复杂的极化效应相互耦合，共同决定了最终器件的命运。特别是，氮化铝的极性（Al极性或N极性）如何影响界面电荷分布和2DEG形成，氧化镓的不同晶相（热力学稳定的β相和具有强自发极化的κ相）在其中扮演何种角色，这些核心科学问题亟待解答。为此，发表在《physica status solidi (b) – basic solid state physics》上的这篇研究论文，深入探索了Ga₂O₃与(Al)GaN异质结的物理机制，旨在同时解决氧化镓的热管理和载流子输运两大瓶颈，为开发下一代功率电子器件开辟新路径。

为了开展此项研究，研究人员主要采用了以下几项关键技术方法：1. 利用金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术在c面蓝宝石衬底上外延生长高质量的κ相和β相氧化镓薄膜，并通过高温退火控制相变，实现了对Ga₂O₃不同晶相的调控。2. 采用MOCVD在Ga₂O₃薄膜上继续外延生长N极性AlN和AlGaN层，构建N极性n-AlGaN/AlN/β-Ga₂O₃和κ-Ga₂O₃:Si/N极性AlGaN/AlN等多种异质结构。3. 通过高分辨X射线衍射(HRXRD)和扫描电子显微镜(SEM)对异质结构的晶体质量、晶相、层间界面和形貌进行系统表征。4. 利用霍尔效应测试(Hall measurement)在室温和液氮温度(77 K)下测量异质结构的载流子浓度、迁移率和电阻率等关键电学参数，评估其输运性能。

2 极化失配对AlN/β-Ga₂O₃异质结构中二维电子气形成的考量

研究人员首先从理论层面分析了极化效应对2DEG形成的关键作用。由于β-Ga₂O₃的非极性单斜结构，异质结中的总极化不连续性完全由AlN层贡献。研究通过计算自发极化和压电极化，得出了界面处的净极化电荷面密度。研究表明，在N极性AlN/β-Ga₂O₃结构中，AlN的自发极化方向与晶格失配（AlN晶格常数小于Ga₂O₃）引起的压电极化方向一致，都指向衬底表面之外，从而在界面处产生净正固定极化电荷。这个正电荷形成一个静电势阱，能够吸引来自表面态或远程掺杂源提供的自由电子，从而有利于在界面β-Ga₂O₃一侧形成高密度2DEG。相反，在Al极性结构中，自发极化与压电极化方向相反，相互抵消，导致界面产生净负电荷，排斥电子，反而可能有利于空穴积累，从而抑制2DEG的形成。能带图（图1）的计算也证实，只有N极性界面能导致导带在界面处向下弯曲，形成可限制高密度电子气的三角形势阱。

Ga₂O₃/Al₂O₃界面的基础研究与异质结构生长

为验证理论，研究人员首先在c面蓝宝石衬底上生长Ga₂O₃薄膜。高分辨X射线衍射(HRXRD)结果显示，利用MOCVD生长的薄膜初始为κ相，经过1000°C高温退火后转变为更稳定的β相（图2）。这表明通过生长和热处理可以控制Ga₂O₃的晶相，并且κ相在蓝宝石衬底上具有较高的热稳定性。

随后，研究人员生长了两种N极性III族氮化物/Ga₂O₃异质结构。第一种是N极性n-AlGaN/N极性AlN/β-Ga₂O₃结构（图3a）。HRXRD图谱（图3b）清晰显示了AlGaN、AlN和β-Ga₂O₃各层的衍射峰，表明获得了高质量的异质外延结构。霍尔测量（表2）显示，该结构在液氮温度下的载流子迁移率高达691 cm²V^?1s^?1，远高于室温下的9 cm²V^?1s^?1。这种迁移率的极大提升被归因于AlGaN层中的铟(In)共掺杂抑制了低温下的声子散射。

第二种结构是κ-Ga₂O₃:Si/N极性AlGaN/N极性AlN（图4a）。扫描电镜(SEM)图像显示各层具有清晰的异质界面和相对平滑的表面形貌。HRXRD图谱（图4b）同样证实了高质量的κ-Ga₂O₃、AlGaN和AlN多层结构。霍尔测量结果（表3）更为引人注目：室温下电子迁移率就达到了188 cm²V^?1s^?1，在77 K时进一步提升至363 cm²V^?1s^?1。如此高的迁移率被认为与κ-Ga₂O₃外延层中缺陷密度的降低有关，同时界面处自发极化和压电效应的不匹配也可能促进了界面处的电子积累。

3 结论

尽管Ga₂O₃拥有出色的本征材料特性，但其低热导率和有限的载流子迁移率严重制约了其在下一代功率电子器件中的广泛应用。本研究证实，将Ga₂O₃与III族氮化物（如AlN、AlGaN）结合形成异质结构，是同时突破这两大瓶颈的有效策略。该工作系统地研究了N极性AlGaN/AlN/β-Ga₂O₃和κ-Ga₂O₃/N极性AlGaN/AlN异质结构中的极化效应和2DEG形成机制。

理论分析表明，AlN/Ga₂O₃界面的电子特性主要由极化不连续性、界面化学和能带对齐决定，其中极化诱导的界面电荷是决定2DEG能否形成的主导因素。具体而言，只有在N极性AlN生长在β-Ga₂O₃上时，才会产生正的界面电荷，形成强内建电场，有效吸引来自表面态施主的电子，从而形成高密度2DEG。相反，Al极性结构则会产生负的界面电荷，促进空穴积累并抑制电子限制。

实验上，研究人员通过外延工程在蓝宝石衬底上生长Ga₂O₃层，以最小化晶格失配并控制应变，这对于获得高晶体质量至关重要。对MOCVD生长的异质结构进行的一系列表征（HRXRD、SEM、霍尔测试）证实了优化后的界面具有高度的结构完整性和优异的输运性能。特别值得注意的是，基于κ-Ga₂O₃并结合N极性AlGaN的异质结构，在液氮温度下实现了高达691 cm²V^?1s^?1的电子迁移率，这充分证明了极化工程对载流子限制的有效性。

综上所述，本研究表明，界面极性、应变管理和精确的生长控制是实现高性能III族氮化物/Ga₂O₃异质结构的关键设计参数。这些发现为开发能够支撑高功率、高频率和快速开关电子器件的Ga₂O₃基异质结构平台，提供了关键的物理见解和清晰的材料实现路径。