JPhysD编辑优选：GaN/Si非平面异质结缺陷调控电子输运特性研究
文章介绍
Yan Zhang（张炎）, Hang-Hui Jiang（姜行辉）, Yuan-Hang Luo（罗远行）, Meng-Zhen Xiao（肖梦真）, Chao Wen（温潮）, Ya-Kun Xing（邢亚坤）, Xin-Jian Li（李新建）
通讯作者：
- 李新建，郑州大学物理学院（微电子学院）
研究背景：
基于GaN优异的光电特性和Si成熟的微纳加工技术，GaN/Si异质结在未来光电子器件及其集成领域具有很好的应用前景。但是，GaN和Si两种半导体之间存在较大的晶格和热失配，在薄膜生长过程中会产生高密度面缺陷和线缺陷，从而导致界面质量和异质结性能的降低。通过引入Si纳米结构构造具有复杂界面结构的非平面异质结，可以借助于三维应力释放机制缓解GaN和Si之间的界面应力，显著降低GaN薄膜中的面缺陷和线缺陷密度，进而提高异质结器件的工作稳定性和使用寿命。另一方面，即使在非故意掺杂的情况下，GaN薄膜生长过程中也会产生具有不同能级、不同形成能的点缺陷（如空位、间隙原子、反位、氧氮替位杂质以及复合缺陷等）。因此，通过控制点缺陷的种类和密度，研究其对非平面异质结电学特性的作用机制和规律，对于提升GaN/Si光电器件性能具有重要的科学意义。
研究内容：
图1 GaN/Si非平面异质结的制备过程示意图。
采用水热腐蚀法制备具有微纳图案化结构的非平面衬底，硅纳米孔柱阵列（Si-NPA）。以Si-NPA为衬底、通过化学气相沉积法生长GaN（950°C）构建GaN/Si-NPA非平面结构异质结。利用不同点缺陷形成能的差异，通过氨气氛围高温（1050°C）退火实现对GaN中点缺陷种类和密度的调控，并研究其对异质结电学性能的作用机制和规律。
图2 (a)退火前后GaN/Si-NPA的XRD谱，(b)衍射三强峰半高宽和GaN平均晶粒尺寸的变化。
经退火处理后，GaN的XRD衍射峰半高宽明显减小，平均晶粒尺寸明显增大。以最强衍射峰（101）为例计算，其半高宽减小27%，晶粒尺寸由16.4nm增加到23.1nm。上述现象的出现，可能与高温下GaN晶粒界面处残余镓原子的进一步氮化以及小尺寸颗粒间的合并过程有关。
图3 Si-NPA和退火前后GaN/Si-NPA的表面形貌和截面形貌。
GaN/Si-NPA的表面和截面形貌在退火前后发生显著变化。主要表现为经过退火处理后，GaN颗粒尺寸增大，薄膜层厚减小、孔洞消失、致密度增加。结果表明退火后GaN薄膜的结晶质量得到明显提高，与衬底的结合度得到很好改善。
图4 退火前后GaN/Si-NPA的(a)J-V曲线，(b)正向偏压下J-V曲线的双对数图。
电学性能测试表明，退火后GaN/Si-NPA异质结开启电压和反向饱和电流密度显著减小、反向击穿电压和正向电流密度显著增加，整流比增加200%，表明在氨气氛围中高温退火可以显著提高异质结性能。
图5 退火处理(a)前、(b)后GaN/Si-NPA 的归一化PL谱及其高斯拟合解谱结果。退火处理(c)前、(d)后GaN薄膜中的点缺陷种类及其能级分布、跃迁过程示意图。
光致发光(PL)谱测量表明，退火前后GaN的点缺陷发光特性发生显著变化。通过对其PL特征谱进行指认，退火前GaN的点缺陷主要为深能级镓空位（D-VGa）、浅能级镓空位（S-VGa）、氧氮替位杂质ON和由VGa和ON构成的复合缺陷（VGa-ON）四种，而高温氨气氛围退火后则演变为S-VGa、中能级VGa（M-VGa）和ON三种。上述缺陷类型及相应缺陷浓度的变化被归因于高温退火过程中缺陷的解离和迁移，并由此构成了PL和电子输运行为演变的共同根源，为GaN/Si非平面异质结及其光电器件的性能调控和优化奠定了重要的物理基础。
作者介绍
李新建 教授
郑州大学
- 李新建，郑州大学物理学院（微电子学院）二级教授、博士生导师。本科毕业于郑州大学物理学专业，博士毕业于中国科学技术大学凝聚态物理专业。主要从事纳米半导体材料及其光电器件的物理基础研究，在Phys. Rev. Lett.、Adv. Mater.、ACS Nano、Nano Lett.、Adv. Funct. Mater.等期刊发表学术论文200余篇，引用5000余次。曾获河南省自然科学一等奖等奖项。
期刊介绍
- 2022年影响因子：3.4 Citescore: 5.9
- Journal of Physics D: Applied Physics（JPhysD，《物理学报D：应用物理》）发表应用物理各领域的前沿研究和综述，具体包括：应用磁学和磁性材料、半导体和光子学、低温等离子体和等离子表面相互作用、凝聚态物理、表面科学和纳米结构、生物物理以及能源等六个领域。文章类型包括原创性论文、研究路线图、通讯以及每年针对热点研究的专题综述和特刊。