深圳平湖實(shí)驗(yàn)室分析檢測中心的田佳民博士在國際期刊《Nanoscale》上發(fā)表題為“Thickness-Dependent Polarization Modulation at AlN Interlayers in GaN Heterostructures Revealed by Atomic-Scale 4D-STEM”的文章，且該文章被收錄為期刊封面。

圖1. 封面圖片

在后摩爾時(shí)代，氮化鎵（GaN）基高電子遷移率晶體管（HEMTs）憑借卓越的高頻、高功率性能，成為半導(dǎo)體領(lǐng)域的核心支柱。其性能優(yōu)劣關(guān)鍵取決于異質(zhì)結(jié)界面極化場誘導(dǎo)的二維電子氣（2DEG）濃度，而插入超薄氮化鋁（AlN）夾層是優(yōu)化器件性能的主流策略。然而，亞納米尺度（<1nm）下 AlN 夾層厚度如何調(diào)控界面應(yīng)變與極化場，這一核心微觀機(jī)制長期缺乏原子級(jí)解析。近日，深圳平湖實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì)借助四維掃描透射電子顯微鏡（4D-STEM）技術(shù)，首次在亞埃尺度下揭示了 AlN 夾層厚度依賴的極化調(diào)制規(guī)律，為高性能 GaN HEMT 器件的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)提供了全新科學(xué)依據(jù)。

4D-STEM 表征結(jié)果顯示，兩者呈現(xiàn)截然不同的極化電場分布：1nm 厚 AlN 夾層樣品的界面沿 c 軸（<0001>）出現(xiàn)兩個(gè)方向相反的電場，形成雙極場分布；而 0.5nm 厚夾層樣品僅表現(xiàn)為單一方向的電場，呈現(xiàn)單極場特征。幾何相位分析（GPA）進(jìn)一步揭示了應(yīng)變狀態(tài)的關(guān)鍵差異：1nm 厚 AlN 夾層樣品中，AlGaN 下界面存在明顯的面內(nèi)拉伸應(yīng)變和面外壓縮應(yīng)變；而 0.5nm 厚夾層樣品的 AlGaN 下界面幾乎無應(yīng)變，這一現(xiàn)象源于亞納米尺度的臨界尺寸效應(yīng) —— 超薄 AlN 夾層的晶格弛豫不完全，導(dǎo)致 AlN 與 AlGaN 之間的晶格失配大幅弱化。后續(xù)的定量結(jié)果表明更強(qiáng)的極化電場有助于提升2DEG濃度，降低器件導(dǎo)通電阻。這一發(fā)現(xiàn)為理解亞納米尺度極化工程提供了全新原子視角，未來通過精準(zhǔn)調(diào)控 AlN 夾層厚度實(shí)現(xiàn)極化場的定向設(shè)計(jì)，有望進(jìn)一步突破器件電流密度、跨導(dǎo)等關(guān)鍵性能指標(biāo)，為后摩爾時(shí)代半導(dǎo)體器件的創(chuàng)新發(fā)展注入強(qiáng)勁動(dòng)力。

圖2. 不同厚度AlN插層的異質(zhì)結(jié)界面極化電場表征

期刊簡介：

《Nanoscale》是由英國皇家化學(xué)會(huì) (Royal Society of Chemistry, RSC) 出版的國際頂級(jí)納米科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域期刊，創(chuàng)刊于 2009 年，由英國皇家化學(xué)會(huì)與中國國家納米科學(xué)中心合作創(chuàng)辦，已成為納米科技領(lǐng)域最具影響力的核心期刊之一。該期刊專注發(fā)表納米科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域的高質(zhì)量研究成果，涵蓋實(shí)驗(yàn)與理論研究的全領(lǐng)域。作為 RSC 核心期刊之一，它在納米科技領(lǐng)域占據(jù)著重要學(xué)術(shù)地位，是納米材料、物理、化學(xué)等領(lǐng)域研究人員發(fā)表突破性成果的首選平臺(tái)之一。

（來源：田佳民 博士 論文，深圳平湖實(shí)驗(yàn)室公號(hào)）