(n11)取向GaAsN外延材料的Si掺杂行为与肖特基接触特性的深度剖析.docxVIP

(n11)取向GaAsN外延材料的Si掺杂行为与肖特基接触特性的深度剖析

一、引言

1.1研究背景与意义

随着信息技术的飞速发展，半导体材料在现代电子器件中的应用愈发广泛。GaAsN作为一种新型的化合物半导体材料，因其独特的物理性质和潜在的应用价值，受到了科研人员的广泛关注。

GaAsN材料具有直接带隙结构，这使得其在光电器件领域展现出巨大的优势。例如，在发光二极管（LED）和激光二极管（LD）的制作中，直接带隙结构能够提高光子的发射效率，从而实现更高效的光发射。而且，GaAsN材料的带隙可通过调整氮含量在一定范围内连续变化，这种特性使其能够满足不同应用场景对带隙的需求。在光通信领域，不同波长的光信号需要不同带隙的半导体材料来实现高效的光电转换，GaAsN材料的带隙可调节性为其在光通信器件中的应用提供了广阔的空间。同时，GaAsN材料还具有较高的电子迁移率，这意味着电子在其中能够快速移动，使得基于GaAsN材料的电子器件能够在高频下工作，极大地提高了器件的运行速度和性能。在5G乃至未来的6G通信技术中，对高频、高速器件的需求日益增长，GaAsN材料的这一特性使其有望成为关键的基础材料。

在众多半导体材料中，Si以其成熟的工艺和广泛的应用基础占据着重要地位。将GaAsN与Si相结合，有望实现优势互补，为半导体器件的发展开辟新的道路。在Si基集成电路中引入GaAsN材料，可以利用GaAsN的优良光学和电学性能，实现光电子集成，从而提高芯片的信息处理能力和通信速度。然而，实现GaAsN与Si的有效结合并非易事，其中Si掺杂是关键的一步。Si掺杂可以改变GaAsN材料的电学性质，使其满足不同器件的需求。但在实际掺杂过程中，由于掺杂元素Si与N的互钝化作用，导致Si掺杂的GaAsN材料的电学活性明显减弱，Si在GaAsN材料中的掺杂效率较低，这成为了制约GaAsN材料应用的一个重要因素。深入研究Si掺杂行为，寻找提高Si掺杂效率的方法，对于充分发挥GaAsN材料的性能，实现其与Si的有效集成具有重要意义。

肖特基接触作为半导体器件中的重要组成部分，对器件的性能有着至关重要的影响。在GaAsN基器件中，肖特基接触的特性直接关系到器件的整流特性、开关速度、反向击穿电压等关键性能指标。良好的肖特基接触能够实现高效的载流子注入和传输，降低器件的功耗和噪声，提高器件的稳定性和可靠性。在肖特基二极管中，理想的肖特基接触应具有合适的势垒高度和低的接触电阻，以确保二极管具有良好的整流特性和快速的开关速度。而在金属-半导体场效应晶体管（MESFET）中，肖特基栅极的接触特性对器件的阈值电压、跨导和截止频率等性能参数有着决定性的影响。然而，由于GaAsN材料的特殊性质，制备高质量的肖特基接触面临着诸多挑战，如界面态的存在、金属与半导体之间的化学反应等，这些问题都会影响肖特基接触的性能，进而限制了GaAsN基器件的性能提升和应用范围。因此，研究GaAsN材料的肖特基接触特性，探索优化肖特基接触性能的方法，对于推动GaAsN基器件的发展具有重要的现实意义。

1.2国内外研究现状

在GaAsN材料的Si掺杂研究方面，国内外学者已开展了大量工作。早期的实验和理论研究结果表明，在GaAsN材料体系中存在掺杂元素Si与N的互钝化作用，这一现象导致Si掺杂的GaAsN材料电学活性明显减弱。有研究通过第一性原理计算发现，相比于SiGa-NAs对的形成，在GaAsN中形成(Si-N)As深能级受主间隙复合体仅需要更低的形成能，这进一步说明了Si与N之间复杂的相互作用对掺杂效果的影响。

为了克服Si与N的互钝化问题，国内外研究人员提出了多种方法。一些研究尝试通过改变生长条件来优化Si掺杂效果，如调整生长温度、生长速率以及反应气体流量等参数。通过精确控制分子束外延（MBE）过程中的生长温度，发现适当提高温度可以在一定程度上减少Si与N的互钝化作用，提高Si的掺杂效率，但过高的温度又会导致材料质量下降，因此需要在两者之间寻找平衡。还有研究关注衬底对Si掺杂的影响。有学者发现，通过改变外延面原子构型，能够有效调制掺杂原子的并入行为。通过将传统的[100]外延取向改变为[n11]取向，采用(n11)B极性面（即As面）形成高密度三键Ⅴ位（即N或As位），利用N的高电负性特性来构筑N的活性吸附位，可以有效抑制掺杂元素Si与N复合体的产生，从而提高GaAsN中Si的并入量。当选择(311)B取向的GaAs衬底时，