【科研速递】吉林大学实现N极性GaN/AlGaN异质结构2DEG迁移率1947 cm2/V·s，创SiC衬底 ...

近日，吉林大学研究人员在碳化硅（SiC）衬底上采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术生长的氮极性（N-polar）GaN/AlGaN异质结构中，实现了二维电子气（2DEG）迁移率的显著提升。该成果发表于《Applied Physics Letters》（第128卷，072101篇），2DEG迁移率达到1947 cm2/V·s，据称是迄今为止SiC衬底上N极性GaN/AlGaN异质结构报道的最高值。

这一突破解决了在高频毫米波应用中实现高性能N极性GaN高电子迁移率晶体管长期存在的挑战。

N极性GaN HEMT在W波段（75-110GHz）相比金属极性器件具有显著优势，报道的输出功率密度可达8W/mm——约为该频段金属极性器件的两倍。然而，MOCVD生长的N极性GaN通常面临更粗糙的表面形貌和显著更高的氧杂质浓度（约101⁸ cm⁻3，比金属极性薄膜高一个数量级）。这两者都会通过界面粗糙度散射和电离杂质散射降低2DEG迁移率。

团队将高阻GaN模板层的生长温度在950°C至1000°C之间变化来解决这一问题。与直觉相悖的是，降低高阻GaN生长温度虽然增加了表面粗糙度——10×10μm2区域内的均方根粗糙度从2.94nm升至4.32nm，但2DEG迁移率反而从1468 cm2/V·s显著提升至1947 cm2/V·s。

二次离子质谱分析揭示了其内在机理：将高阻GaN生长温度从1000°C降至950°C后，高阻GaN层中的碳掺入量提高了一个数量级（从1.1×101⁸ cm⁻3升至1.1×101⁹ cm⁻3），而氧浓度则从3.3×101⁷ cm⁻3降至4.5×101⁶ cm⁻3。研究人员解释称，在富镓生长条件下，碳原子优先占据氮位点，竞争性地抑制了氧的掺入。AlGaN势垒层中氧浓度的降低——从2.1×101⁸ cm⁻3降至2×101⁷ cm⁻3——削弱了电离杂质散射这一主要的迁移率限制机制。

基于马蒂森法则的半定量分析表明，电离杂质散射10.5倍的抑制效应超过了粗糙度增加带来的2.2倍退化效应，证实了杂质控制是主导因素。此外，高阻GaN中更高的碳浓度使其方块电阻从7.8×10⁵ Ω/sq提升至9.1×10⁸ Ω/sq，这不仅抑制了泄漏电流，还通过并联导电效应部分贡献了测得的迁移率提升。

为验证器件层面的影响，团队制备了两种温度下高阻GaN生长的N极性HEMT。在高阻GaN生长温度为950°C的器件在VGS = −2V时实现了完全夹断，在VGS = 1V时饱和电流密度达到492mA/mm；而高阻GaN生长温度为1000°C的器件由于缓冲层泄漏，即使在−6V时也无法完全夹断。

团队表示：“这项工作展示了一种提升N极性GaN/AlGaN异质结构中2DEG迁移率的有效方法，对推动高性能N极性GaN HEMT器件的发展具有重要意义。”

论文信息：Haotian Ma, Gaoqiang Deng, Shixu Yang, Yusen Wang, Jingkai Zhao, Changcai Zuo, Yi Li, Haozhe Gao, Yuliang Liu, Xiang Lin, Tianpeng Yang, Yuantao Zhang; High-mobility nitrogen-polar GaN/AlGaN heterostructures via impurity modulation. Appl. Phys. Lett. 16 February 2026; 128 (7): 072101.

https://doi.org/10.1063/5.0313847

文章来源：semiconductor-today

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