晶格不匹配异质结构及可靠性提升
大失配异质外延主要存在2大问题，一是失配缺陷；二是界面热管理。带着这些问题，我们讨论下晶格不匹配以及异质结构的生长及改善。
在过去的多年里，尽管晶格不匹配的异质结取得了较大成功，但仍然是挑战，如在具有大失配外延的异质结如果长不好，会导致界面缺陷密度高，从而严重限制了器件的应用。在晶格失配异质结构的方法中，最引人注目的方法是异质外延和两种材料的键合。当两种单晶材料直接生长在一起时，由于晶格失配，界面处不可避免地会产生大量缺陷，这些缺陷引起的高界面陷阱作为复合和生成中心，严重损害了界面处的载流子传输。为了使载流子能够以最小的损失穿过界面传输，这需要在界面上有足够的低密度复合/生成中心，因此需要插入层（或称为“界面层”），该材料需满足以下要求。首先，它必须能够有效钝化两种半导体材料的表面。其次，它必须允许电子和空穴以最小的损失穿过。第三，它能防止两种相邻材料在热处理和接合操作过程中发生互扩散。第四，它能为两种材料提供足够的粘结力。最后，在材料受到高温影响时，例如在加工过程中，它可以起到热膨胀缓冲的作用。为了满足上述要求，金属材料是不可行的，因为它们是无带隙材料，空穴无法穿透金属层。唯一剩下的候选界面材料是绝缘体，如氧化物、氮化物等。已知许多类型的氧化物可以有效地钝化各种半导体表面。由于氧化物和氮化物具有带隙，电子和空穴确实可以在这些材料中存在。它们被认为是绝缘体，因为它们具有超宽的带隙，在室温下内部几乎没有本征载流子。然而，当氧化物和氮化物被制成超薄时，载流子可以通过量子隧穿穿过，这一点已经为人所知数十年。虽然众所周知，氧化物和氮化物可以作为钝化材料，其超薄形式也可以作为隧穿层，图1展示了表面态和界面层如何共同影响一般异质结p-n结中的能带对齐和载流子传输。在两种半导体之间插入界面层时，在结处形成了界面层材料与两种半导体之间的两个界面。两个界面处的表面电荷密度取决于半导体两面的钝化效果。界面层两侧的电荷会在其上产生电压降。对于图1a所示的p-n结，其净电荷分布如图1b所示。为了便于分析，假设了一些合理的条件，并采用了耗尽近似。
图1 界面层及表面态
因此，电场强度E(x)及其对应的电势φ(x)分别在图1c和图1d中示意性地展示。由于界面层内存在电场，p-n结中两个费米能级EF1和EF2（图1e)对齐时的电势变化为
其中ψp、ψn和Vi分别是p侧和n侧的内置电压以及界面层上的电压降
如果界面层通过钝化有效抑制了表面态，会直接隧穿，而不是陷阱辅助隧穿，应该是界面层中电荷载流子传输的主要机制。考虑到我们异质结中相对较大的能量带突变，热电子发射模型是跨过异质结界面的电流流动的合适机制。图2a、2e和2i分别显示了Si/GaAs、GaAs/GaN和Si/GaN之间形成的异质结界面区域的HRTEM图像；图2b、2f和2j的插图则展示了这三种异质结二极管的层示意图。GaN外延层具有六方晶格的C面，生长在SiC衬底上。图2a、2e和2i的插图是衍射图案，图像中未观察到晶体缺陷或裂纹，表明界面氧化铝在热退火和冷却过程中作为热缓冲层的有效功能。尽管浅色界面区域有所增宽，但在每种组合中均未观察到两种半导体之间的互扩散。因此，在异质结形成的热处理过程中，薄层氧化铝还起到了扩散阻挡层的作用。
图2 异质界面区域TEM图像
了解这些基本原理，对异质外延生长及器件热管理有着较好的指导作用，有多篇论文有意无意的采用了这些思想，基于这些思想，对提高器件性能及可靠性都有着重要意义。
参考： Liu D, Cho S J, Seo J H, et al. Lattice-mismatched semiconductor heterostructures. arXiv preprint arXiv:1812.10225, 2018. Wang A, Yuan M Q, Guo Y D, et al. Evaluation of AlN insertion layer on the properties of heterogeneous integrated Ga2O3 films on sapphire. Journal of Crystal Growth, 2025, 649: 127977. Feng Y, Sun H, Yang X, et al. High quality GaN-on-SiC with low thermal boundary resistance by employing an ultrathin AlGaN buffer layer. Applied Physics Letters, 2021, 118(5). Li C, Li Z, Peng D, et al. Growth of thin AlN nucleation layer and its impact on GaN-on-SiC heteroepitaxy. Journal of Alloys and Compounds, 2020, 838: 155557.
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