III族氮化物异质结的极化效应及其器件应用.doc

  III 族氮化物异质结的极化效应及其器件 应用# 张金风，郝跃* 5 10 15 20 25 30 35 （西安电子科技大学微电子学院，西安 710071） 摘要：III 族氮化物半导体材料体系具有独特的压电极化和自发极化效应。本文给出了纤维 锌矿 III 族氮化物异质结极性和极化效应的理论和实验的研究发展过程，分析了极化效应对 异质结电学特性的影响，讨论了基于极化效应的氮化物器件工程，提出了有待进一步研究的 问题。 关键词：微电子学，III 族氮化物，异质结，极性，压电极化，自发极化 中图分类号：TN304.2+3，O471.3 Polarization Effects of III-N Heterostructures and Its Application in Devices ZHANG Jinfeng, Hao Yue (School of Microelectronics, Xidian University, Xian 710071) Abstract: III-N semiconductors are characteristic of piezoelectric and spontaneous polarization. Theoretic and experiment research development is reviewed of polarity and polarization effects of wurtzite III-N heterostructures. Polarization-based nitride devices engineering is elaborated through analysis of the significant influence of these polarization effects on the electronic properties of III-N heterostructures. Problems unsolved are presented. Key words: Group III nitride, Heterostructures, Polarity, Piezoelectric polarization, Spontaneous polarization 0 引言 III 族氮化物半导体（AlN，GaN，InN）目前已成为国际上新型半导体材料和器件研究 的热点。该宽带隙材料系统不仅具有电子饱和漂移速度高、介电强度大、热导率高、物理化 学性质稳定、抗辐照等优异性质[1]，而且其纤维锌矿晶体结构和强离子性[2]，使其具有常规 闪锌矿 III-V 半导体所无法比拟的独特性质，其中最重要的是压电极化和自发极化效应。 在氮化物发展初期，不成熟的生长加工技术只能获得单/多层氮化物外延薄膜。与此同 时，半导体异质结理论已有相当发展，基于 GaAs 等化合物半导体的异质结在材料性质和器 件应用研究上也形成了规模。这些因素为氮化物在异质结器件中的应用提供了历史的必然 性。20 世纪 90 年代中期以后，由于氮源纯度问题的解决，实现了高质量氮化物外延材料的 生长。目前 III 族氮化物在器件应用上主要以异质结形式集中在蓝绿光/紫外线发光器件和耐 高温、抗辐照和高频大功率器件领域[1]。材料研究和器件制作的理论和实验证明，极化效应 对分析和设计氮化物异质结器件非常重要，为新型氮化物器件开发提供了新的自由度。 本文通过 III 族氮化物异质结中极化效应理论实验研究的历史发展，分析其对氮化物材 料和器件的影响，提出了基于极化效应的氮化物器件工程的发展方向和有待进一步研究的问 基金项目：高等学校博士学科点新教师基金项目（批准号: 200807011012） 作者简介：张金风（1977－），女，副教授，主要研究方向为 GaN 电子材料和器件和（Al)GaN 短波长激 光材料和器件. E-mail: jfzhang@ -1- 题。   40  1 氮化物异质结的极化效应 III 族氮化物具有六方晶系纤维锌矿的热力学稳态 结构和立方闪锌矿亚稳态结构。目前国际上对 III 族氮 Ga 化物的研究和应用绝大部分采用蓝宝石或 SiC 衬底上 N  [1120] [0001]  [1100]  A(Ga)面  N Psp 45 （MOCVD）技术生长的纤维锌矿结构，这里也只针 Ga N 对这种晶相进行讨论。  1.1  极性和极化的取向 Ga N  (a) GaN B(N)面  50 55 纤维锌矿结构和闪锌矿结构的晶体没有中心对称 性，具有压电效应。另外，纤维锌矿结构氮化物属于 C6v（6mm）空间点群，具有唯