Материал более чем в три раза увеличивает межфазную электронную плотность в гетероструктуре GaN, расширяя дизайн материалов, основанных на поляризации
Полярные полупроводники на основе нитрида вюрцита, такие как нитрид алюминия (AlN) и нитрид галлия (GaN), играют ключевую роль в современных мощных и высокочастотных электронных устройствах благодаря широкой запрещенной зоне, высоким электрическим полям пробоя и сильной спонтанной и пьезоэлектрической поляризации. На гетерограницах AlN/GaN различия в поляризации могут создавать двумерный электронный газ (2DEG) с высокой плотностью и подвижностью носителей заряда без намеренного легирования. Эта 2D-электронная дырочная зона является рабочей основой транзисторов с высокой подвижностью электронов (high-electron-mobility transistor, HEMT) на основе нитрида галлия. В более широком семействе нитридов вюрцита поляризация лежит в основе самых разных функций — от традиционных пьезоэлектрических приводов до сегнетоэлектрических переключателей.
Исследователи кафедры материаловедения и технологий Токийского научного университета (TUS) в Японии совместно с исследователями из Токийского университета и Университета Миэ впервые успешно осуществила эпитаксиальный рост монокристаллических тонких пленок полярного вюрцита NbAlN на подложках из нитрида галлия. «Это исследование показывает, что NbAlN относится к ранее не известному классу полярных нитридных полупроводников, содержащих переходные металлы,» — объясняют ученые. «Пленки NbAlN сохраняют как кристаллическую структуру вюрцита, так и металлическую полярность лежащего в их основе нитрида галлия».
С помощью реактивной эпитаксии напылением исследователи вырастили на GaN пленки NbAlN, содержащие от 11% до 37% ниобия. Пленки, содержащие до 25% ниобия, имели гладкую поверхность и когерентную вуртцитную кристаллическую структуру, ориентированную в соответствии с ориентацией GaN, в то время как образец, содержащий 37% ниобия, имел выраженную шероховатость поверхности и ухудшенное качество кристаллической структуры. Рентгеноструктурный анализ показал, что внеплоскостной параметр решетки систематически увеличивается с ростом содержания ниобия.
Чтобы определить, сохранилась ли полярность после внедрения ниобия, команда исследователей изучила пленки с помощью сканирующей просвечивающей электронной микроскопии с атомным разрешением. Наблюдения за пленкой NbAlN толщиной около 25 нм, содержащей 23% ниобия, показали, что в наблюдаемой области происходит такое же металлополярное стекирование, как и в лежащем под ней GaN. Исследователи также обнаружили когерентные наноразмерные области с высоким содержанием ниобия. Несмотря на различия в составе, вюрцитная решетка оставалась непрерывной, без границ зерен или релаксированной вторичной фазы.
Чтобы оценить его функциональное влияние, исследователи вставили барьерный слой NbAlN в эталонную гетероструктуру AlGaN/AlN/GaN, сформировав стопку NbAlN/AlGaN/AlN/GaN. Оптимизированная гетероструктура NbAlN показала более чем трехкратное увеличение плотности поверхностных электронов при сохранении подвижности при комнатной температуре. Для барьера из нитрида ниобия и алюминия толщиной 13 нм, содержащего 10% ниобия и выращенного при температуре 775 °C, плотность поверхностных электронов увеличилась примерно с 5,1 × 10¹² см⁻² в эталонной структуре до 1,7 × 10¹³ см⁻² — более чем в три раза. Подвижность электронов при комнатной температуре составила 1485 см² В⁻¹ с⁻¹ по сравнению с 1690 см² В⁻¹ с⁻¹ в эталонной структуре и достигла 6800 см² В⁻¹ с⁻¹ при 80 К. Эти результаты согласуются с модуляцией носителей заряда, связанной с поляризацией, вызванной барьером из нитрида ниобия и алюминия.
Результаты будут полезны исследователям и производителям, работающим с материалами на основе нитрида галлия и полупроводниковыми устройствами для питания и радиочастот.