據日本研究人員報告，通過減少碳污染來避免碳污染源導致的“遷移率崩潰”，氮化鎵（GaN）的電子遷移率性能創下新高 。

住友化學株式會社、京都大學、名古屋大學、可持續材料與系統研究所（IMaSS）組成的研究團隊報告稱，一樣品的碳濃度（[C]）低至1.4x1014/cm3，卻顯示出1480cm2/(V-s)的創紀錄室溫遷移率（μRT），溫度為62K時，最大μMAX為14,300cm2/(V-s)，同樣創下記錄。研究人員指出，該樣品的μMAX值幾乎是先前記錄的兩倍。

研究團隊采用無石英氫化物氣相外延（QF-HVPE）生長方法，嚴格控制硅（Si）、碳、氧的污染。石英是結晶二氧化硅。這種材料通常用于高溫工藝設備中。

除了實現創紀錄的遷移率性能外，該團隊還尋求從經驗上理解碳污染造成的“崩潰”，以期充分發揮GaN的能力，制造出更高效、更緊湊的功率器件，借此為電動汽車制造逆變器，并為可再生能源制造功率轉換器。

制造GaN常會用到金屬有機III族氮化物生長方法，其中碳污染是一個特殊問題，利用該方法進行制造時，金屬離子鎵、銦、鋁會與有機成分相連，生成三甲基鎵等前驅體。甲基（CH3）由碳和氫組成。Sumitomo等人的無石英氫化物氣相外延法則避免了有機化學，從而避免加入不受控的碳。

研究人員先利用他們的空隙輔助分離法制備出2英寸獨立GaN襯底，再用無石英氫化物氣相外延工藝在其上生長材料，最后利用所生長材料制備出用于霍爾測量的樣品。通過背面拋光去除生長襯底后，測試樣品由6mm x 6mm的方形n型GaN層組成。

生長GaN層耗時5至8小時，生長后整體厚度為300-500μm。去除襯底后，材料厚度為200-400μm。生長溫度為1050°C，生長壓力為大氣壓。生長襯底的穿透位錯密度（TDD）是均勻的，介于1x106/cm2和3x106/cm2之間。

樣品污染包括放置在氨氣（NH3）N源氣體流道的一小塊碳。碳塊大小控制雜質濃度（見表），雜質濃度由二次離子質譜法（SIMS）測定。從材料的中心開始，用于霍爾測量的鋁/鈦電極放置在方形樣品的四角上。

表1：三種樣品的Si和C雜質濃度以及霍爾測量結果

利用20K至300K（RT，室溫）時霍爾參數的溫度依賴性來評估散射機制對降低遷移率的影響，例如電離雜質（II）、聲學形變勢（DP）、極性光學聲子（POP）、壓電（Piez）效應等散射機制。研究發現，遷移率在不同的低溫下會有所升高，達到峰值（μMAX），然后隨著溫度接近室溫而下降（μRT）。

△ 圖1：（a）[C]與μMAX的關系，（b）[C]與μRT的關系。觀測到的數據標為實點。紅色虛線代表傳統理論，紅色實線代表根據假設額外遷移率影響μUNK計算得出的數值。

針對μMAX和μRT隨碳濃度變化的數據，研究人員比較了他們所得數據與傳統理論所得數據（圖1）。在μMAX的低溫條件下，主要的遷移率來自雜質散射。雖然測量值低于傳統預期值，但差異相對較小。然而，在室溫條件下，原預計聲子散射對遷移率的影響會占主導地位，但測量結果仍然顯示碳的存在會產生很大影響，從而導致“遷移率崩潰”。

研究團隊以經驗為主，嘗試用術語μUNK（圖2）來描述對遷移率的“未知”影響。在無未知（UNK）影響和未知影響隨T-1.5變化的情況下，分別計算總遷移率。溫度隨T-1.5變化時，擬合結果更佳。

△ 圖2：樣品（a）1、（b）2、（c）3的霍爾遷移率與溫度的函數關系。黑色實點代表實驗數據。灰色、藍色、橙色、綠色實線分別是算出的μII、μDP、μPOP、μPiez影響的霍爾遷移率，不含μUNK（虛線）和含μUNK（實線）。

必須記住，“散射”的增加會降低載流子遷移率，因此遷移率影響，至少在簡單理論中，以倒數總和（Σi1/μi）的形式結合在一起，從而得出有效遷移率的倒數（1/μeff）。

附加影響的大小變化（μUNK= K/T1.5）近似于1/[C]的趨勢（圖3）。μUNK的溫度指數在1和2之間時，在擬合實驗數據方面具有類似能力。

△ 圖3：樣品1-3的μUNK指前因子K與[C]之間的關系，以及先前報告的數據。

研究團隊評論道：“傳統理論已考慮電離雜質散射，因此圖3中K對[C]的依賴性有力表明，碳雜質誘發了電離雜質散射之外的其他散射機制。深碳受體周圍局部應變引起的散射就是一種可能性。”

審核編輯：劉清