王中林院士等:柔性GaN基HEMT的电化学法制备及其压电电子学调控研究

Epitaxial Lift-Off of Flexible GaN-Based HEMT Arrays with Performances Optimization by the Piezotronic Effect 

Xin Chen, Jianqi Dong, Chenguang He, Longfei He, Zhitao Chen, Shuti Li, Kang Zhang*, Xingfu Wang*, Zhong Lin Wang*

Nano-Micro Letters (2021)13: 67

https://doi.org/10.1007/s40820-021-00589-4

本文亮点

1. 提出了一种高效且便捷的电化学剥离方法,制备了大面积(>2 cm²)无损的柔性HEMT阵列薄膜

2. 通过引入压电电子学效应调控2DEG和声子的物理特性,实现了对器件电学和热学性能的调控,并对其内在机理进行详细阐释。

3. 为柔性GaN基HEMT的制备和性能的调控提供了一种全新的思路。

内容简介

功率射频器件作为电子电力技术的核心元器件,对于实现功率转换和提高能源转换效率起着至关重要的作用。同时,功率射频器件在战略性新兴信息产业中占据着举足轻重的地位,对能源生产、消费和技术发展具有重要的科学意义和使用价值。其中,AlGaN/GaN异质结高迁移率晶体管(HEMT)由于其自身具有较高的二维电子气(2DEG)、耐高温、优异的功率特性等特点,是GaN电子器件的重要代表,是第三代半导体技术领域发展和技术革新的焦点之一。中科院北京纳米能源所王中林院士、华南师大王幸福研究员及广东省科学院半导体研究所张康高级工程师等开展合作,通过设计特定的外延结构,提供了一种绿色的、低廉的加工技术——电化学腐蚀法,剥离出牺牲层以上的AlGaN/AlN/GaN,实现了刚性衬底的剥离,并制备出大面积(>2 cm²)柔性HEMT阵列器件。在此基础上,将器件与柔性衬底键合,引入压电电子学效应进行电学和热学性能的调控。

图文导读

I AlGaN/AlN/GaN异质结外延结构的制备及表征

本文采用金属有机气相外延技术(MOCVD)的方法制备了外延结构,通过在AlGaN/AlN/GaN目标层下方设计高掺杂的GaN层(Si掺杂,n⁺-GaN),使得该层电导率较大,可作为电化学过程中的牺牲层被选择性腐蚀。如图1所示。

图1. (a) 以蓝宝石为衬底的外延结构的示意图;(b1) AlGaN/AlN/GaN界面的STEM图;(b2) 沿C轴方向的GaN HRTEM图;(b3) 异质结结构的AFM图;(b4) 沿<0002>方向生长的外延结构的SAED图;(c1-c4) “三明治”结构AlN插入层的EDX图;(d) 沿C轴方向目标层中EDX的线扫描图。

我们进一步研究了目标层中的极化效应、能带分布状态和位于AlGaN/AlN/GaN目标层结构中2DEG的面密度和分布,如图2所示。

图2. AlGaN/AlN/GaN目标层异质结结构的能带分布及界面处2DEG的面密度及分布状态。

II 大面积无损的柔性HEMT阵列薄膜的制备
利用电化学腐蚀的方法,在不损害晶体质量的前提下从蓝宝石衬底上剥离出AlGaN/AlN/GaN HEMTs,并与柔性PET衬底低温键合,快速高效地完成刚性器件到柔性器件的转换。利用AlGaN/AlN/GaN结构制备HEMT压电电子学器件,制备流程展示图3。

图3. 柔性大面积HEMT阵列薄膜器件的制备流程:(a1-a4) AlGaN/AlN/GaN HEMTs的转移流程图示意图;(b) 集中展示了电化学腐蚀的原理和实验过程图,反应机理为2GaN+6h⁺→2Ga³⁺+N₂;(c-d) 剥离蓝宝石衬底获得的大面积(>2 cm²)且无损的柔性HEMT阵列薄膜器件;(e-f) 阵列器件的电极显微镜图,其中源漏极为Ti/Al/Ni/Au (20/130/50/100 nm),栅极为Ni/Au (30/300 nm)。
III 柔性HEMT器件基本特性表征

研究了剥离前后晶体质量的变化,在剥离转移到PET衬底后(002)和(102)晶向半峰宽FWHM的降低,表明了牺牲层剥离后晶体质量的提升,同时证明牺牲层的设置并未影响目标层的晶体质量。目标层释放后,晶体质量显著提升,证明了电化学剥离的必要性和成功性。随后通过测试,证明转移后HEMTs器件具有的优异的电学特性。栅压为0 V时,器件达到最大饱和电流105.67 mA/mm,阈值电压Vth=-2.38 V,跨导Gm=27.17 mS/mm(如图4所示)。

图4. 柔性HEMT器件的基本性能:(a) 剥离前GaN(102)(002)晶向的XRD测试图;(b) 剥离后GaN(102)(002)晶向的XRD测试图;(c) 柔性HEMT器件在不同栅压调控下的传输曲线图;(d)柔性HEMT器件在Vds=10 V的转移曲线。

IV 压电电子学效应对于HEMT器件性能的调控
创新性的引入压电电子学效应,利用压力诱导的压电极化电荷对半导体材料能带结构进行调节,进而调节或控制功率器件的电子传输性质,其次,压电电子学效应可以通过影响晶格常数,结构和系统的对称性来调控晶体内部的声子特性,进而调制材料的导热系数。在本项研究中,通过压电电子学效应的引入,结果显示器件的电学性能得到了较大的提升(增长3.15%),自热效应得到了大幅度的抑制(减小16.19%)等(如图4所示)。这些研究结果为我们进一步深入研究GaN基功率器件和射频器件制备,以及其性能的调控奠定了基础。

图5. 压电电子学效应调制作用:(a) 压应力下器件电学性能的变化;(b) 拉应力下器件电学性能的变化;(c) 统计在应力下了峰值电流的相对变化值和峰值位置的移动,表征了压电电子学效应对电学性能的调控;(d)通过对于峰值电流的衰减值的统计表征压电电子学效应对自热效应的抑制。

V 压电电子学调控机理的阐释
通过泊松方程和薛定谔的自洽求解计算了在不同应力之下的二维电子气和能带的变化,揭示了压电电子学的机理。在无应力的状态下,异质结界面处存在较大的能带不连续,且材料内部有着较强的自发极化和压电极化效应,共同造成了在AlGaN/AlN/GaN异质结GaN一侧形成三角势垒。其次通过计算分析每层的极化电荷可得在异质结界面处为净正电荷,会吸引GaN一侧的电子,并且被束缚到三角势垒中,形成很薄的一层二维电子气。压电电子学效应通过引入外部应力,与内部的压电极化和自发极化相耦合,调控界面净正电荷的数量,影响能带的形状,进而调控二维电子气的面密度和迁移率,影响器件电学性能。

图6. 压电电子学机理的解释:(a-c) 不同的应力状态下器件极化状态的变化;(d) 不同应力状态下能带的变化;(e) 不同应力状态下2DEG面密度的变化。

作者简介

王中林

本文通讯作者

个人简介

王中林院士,中国科学院北京纳米能源与系统研究所所长,佐治亚理工学院终身校董事讲席教授。王中林院士是2019年爱因斯坦世界科学奖(Albert Einstein World Award of Science)、2018年埃尼奖 (ENI award–The “Nobel prize” for Energy)、2015年汤森路透引文桂冠奖、2014年美国物理学会James C. McGroddy新材料奖、和2011年美国材料学会奖章(MRS Medal)等国际大奖得主。他是中科院外籍院士、欧洲科学院院士、加拿大工程院外籍院士,国际纳米能源领域著名刊物Nano Energy(最新IF:16.6)的创刊主编和现任主编。王中林院士是纳米能源研究领域的奠基人。他发明了压电纳米发电机和摩擦纳米发电机,首次提出自驱动系统和蓝色能源的原创大概念,将纳米能源定义为“新时代的能源”。

王中林院士开创了压电电子学和压电光电子学两大学科,他提出的原创新物理效应引领了第三代半导体纳米材料的基础研究,使氧化锌纳米结构成为与碳纳米管和硅纳米线同等重要的一类材料研究体系。根据Google Scholar,王中林教授论文引用超28万次,标志影响力的H指数是257,目前在全球材料科学总引用数和H指数排名世界第一; 世界横跨所有领域前10万科学家终身科学影响力排第5名,2019年年度科学影响力排第1名。

Email: zhong.wang@mse.gatech.edu

王幸福

本文通讯作者

华南师范大学 研究员

主要研究领域

GaN基纳米线的MOCVD制备及纳米光电器件(光探测器、发光二极管、激光器等)研制、压电电子学和压电光电子学效应及新型器件的研究。

主要研究成果

至今以第一或共同第一作者在Advanced Materials, Nano Letters, ACS Nano, Nano Energy, Advanced Functional Materials, Nanoscale等期刊发表学术论文30余篇,获得多项发明专利。参与主持过中国国家自然科学基金、广东省“杰出青年”基金、广东省“第三代半导体材料与器件”重点领域研发计划等。

Email: xfwang@scnu.edu.cn

张康

本文通讯作者

广东省科学院半导体研究所 高级工程师

主要研究领域

从事氮化物半导体外延材料、第三代半导体光电器件的技术研发。

主要研究成果

在Nano Energy, ACS applied materials & interfaces等本领域权威期刊发表了SCI收录论文十数篇,部分先进研究成果被Advances in Optics and Photonics、等国际权威期刊和论著引用;申请第一发明人专利10项,授权第一发明人专利6项。作为项目负责人主持了包括广东省公益研究与能力建设项目、应用型科技研发专项资金项目、前沿与关键技术创新省级科技计划项目等多项科研项目研发工作;并获中山市科技进步三等奖(第二完成人)。

Email: zhangkang@gdisit.com

撰稿:原文作者

编辑:《纳微快报(英文)》编辑部

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、Springer Nature合作开放获取(open-access)出版的英文学术期刊,主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, commentary, perspective, letter, highlight, news, etc),包括微纳米材料的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、吸波、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、SCOPUS、PubMed Central、DOAJ、CSCD、知网、万方、维普、超星等数据库收录。2020 JCR影响因子IF=16.419,在物理、材料、纳米三个领域均居Q1区(前10%)。2020 CiteScore=15.9,材料学科领域排名第4 (4/123)。中科院期刊分区:材料科学1区TOP期刊。全文免费下载阅读(http://springer.com/40820),欢迎关注和投稿。
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