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：

[1] Liu D, Cho S J, Seo J H, et al. Lattice-mismatched semiconductor heterostructures[J]. arXiv preprint arXiv:1812.10225, 2018.

[2] 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[J]. Journal of Crystal Growth, 2025, 649: 127977.

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[4] Li C, Li Z, Peng D, et al. Growth of thin AlN nucleation layer and its impact on GaN-on-SiC heteroepitaxy[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2020, 838: 155557.