【器件论文】极性依赖的带隙对齐与 β-Ga₂O₃/AlN 异质结中的二维电子气局域化

        由山东大学的研究团队在学术期刊 Journal of Alloys and Compounds 发布了一篇名为 Polarity-Dependent Band Alignment and Two-Dimensional Electron Gas Localization in β-Ga₂O₃/AlN Heterostructures（极性依赖的带隙对齐与 β-Ga₂O₃/AlN 异质结中的二维电子气局域化）的文章。

摘要

        β-Ga₂O₃/AlN 异质结电接触的形成，其中 AlN 作为绝缘层或屏障层，展现出巨大潜力，可解决由于 β-Ga₂O₃ 的场效应晶体管中低迁移率和热导率差的问题。然而，对氧化物电容和栅极漏电流至关重要的能带偏移高度依赖于沉积方法，因此需要一个统一的预测框架。此外，AlN 强烈的自发极化和压电极化为界面工程和载流子调制提供了有前景的机会，但尚未得到充分探索。在此，基于在 β-Ga₂O₃ 衬底上建立的外延生长策略，构建了 β-Ga₂O₃/AlN 异质结，其中 Al 极化 AlN 作为绝缘层，N 极化 AlN 作为屏障层。第一性原理计算揭示了能带偏移和极性依赖的能带弯曲，以及通过原子分辨率的局部密度态和极化分析所揭示的独特二维电子气（2DEG）形成机制。两种 β-Ga₂O₃/AlN 异质结均呈现 II 型能带对齐，价带和导带偏移分别为 −0.64 ± 0.5 eV 和 −1.84 ± 0.3 eV。能带偏移随 β-Ga₂O₃ 界面取向变化，由极性界面处受长程库仑相互作用驱动的电子分布决定。较大的导带偏移（|CBO| ≥ 1.50 eV）确保了强烈的载流子局域化并抑制了栅极泄漏。表面态诱导了极性特异性的能带弯曲，在 O 终止表面向上弯曲，在 Ga 终止表面向下弯曲，从而在 N 极性异质结中形成量子阱。在 N 极性 HEMTs 中，施主型表面态促进极性诱导的二维电子气（2DEG）形成，而 Al 极性配置则因电子向受主型态转移而耗尽 2DEG，需通过 δ 掺杂恢复通道。本研究展示了 AlN 作为介质材料的潜力，并提出了一个涉及极性、表面态和能带结构的耦合模型，以指导高性能 β-Ga₂O₃ 场效应晶体管（FET）的设计。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2025.182985