最新成果！深圳平湖实验室研究团队首次揭示了氮化镓异质结构中AlN夹层厚度依赖的极化 ...

深圳平湖实验室分析检测中心的田佳民博士在国际期刊《Nanoscale》上发表题为“Thickness-Dependent Polarization Modulation at AlN Interlayers in GaN Heterostructures Revealed by Atomic-Scale 4D-STEM”的文章，且该文章被收录为期刊封面。

图1. 封面图片

在后摩尔时代，氮化镓（GaN）基高电子迁移率晶体管（HEMTs）凭借卓越的高频、高功率性能，成为半导体领域的核心支柱。其性能优劣关键取决于异质结界面极化场诱导的二维电子气（2DEG）浓度，而插入超薄氮化铝（AlN）夹层是优化器件性能的主流策略。然而，亚纳米尺度（<1nm）下 AlN 夹层厚度如何调控界面应变与极化场，这一核心微观机制长期缺乏原子级解析。近日，深圳平湖实验室的研究团队借助四维扫描透射电子显微镜（4D-STEM）技术，首次在亚埃尺度下揭示了 AlN 夹层厚度依赖的极化调制规律，为高性能 GaN HEMT 器件的精准设计提供了全新科学依据。

4D-STEM 表征结果显示，两者呈现截然不同的极化电场分布：1nm 厚 AlN 夹层样品的界面沿 c 轴（<0001>）出现两个方向相反的电场，形成双极场分布；而 0.5nm 厚夹层样品仅表现为单一方向的电场，呈现单极场特征。几何相位分析（GPA）进一步揭示了应变状态的关键差异：1nm 厚 AlN 夹层样品中，AlGaN 下界面存在明显的面内拉伸应变和面外压缩应变；而 0.5nm 厚夹层样品的 AlGaN 下界面几乎无应变，这一现象源于亚纳米尺度的临界尺寸效应 —— 超薄 AlN 夹层的晶格弛豫不完全，导致 AlN 与 AlGaN 之间的晶格失配大幅弱化。后续的定量结果表明更强的极化电场有助于提升2DEG浓度，降低器件导通电阻。这一发现为理解亚纳米尺度极化工程提供了全新原子视角，未来通过精准调控 AlN 夹层厚度实现极化场的定向设计，有望进一步突破器件电流密度、跨导等关键性能指标，为后摩尔时代半导体器件的创新发展注入强劲动力。

图2. 不同厚度AlN插层的异质结界面极化电场表征

来源：深圳平湖实验室

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