PEALD沉积ALN栅绝缘层对沟道2DEG特性有很大影响，所以本文对其进行了更深入地分析。采用蓝宝石衬底上的AlGaN/Gan外延材料，经过表面有机化学清洗、KOH溶液清洗、及低损伤NH3/N2等离子体表面预处理后，使用PEALD技术沉积10nm的AlN表面钝化层，沉积温度为300℃。另外，制备了3个对照样品：经过相同表面处理的AlGaN/GaN外延材料，无任何表面钝化层；AlGaN/GaN外延材料经过相同的表面处理后，利用ALD技术沉积10nm厚的Al2O3表面钝化层；AlGaN/GaN外延材料经过相同的表面处理后，利用PECVD技术沉积10nm厚的SiN表面钝化层。另外，为了消除薄膜沉积过程中热效应的影响，Al2O3和SiN的沉积温度也都设定在300℃。
2. GaN基MIS异质结构Hall测试
在室温下对四个样品进行了接触式Hall测试，测试结果如图1所示。三种表面钝化层材料都使异质结沟道载流子迁移率增大，有利于提高器件的输运特性，获得高跨导、高增益电子器件。钝化层材料还使异质结薄层电阻显著降低，从431Ω/sq减小到约380Ω/sq，材料方阻的降低非常有利于器件输出电流和功率密度的提高。但是不同的是，Al2O3钝化层在提高载流子迁移率的同时，2DEG面密度也有所提高，而AlN和SiN钝化层却导致2DEG面密度大幅降低。结合上文屮表面化学清洗和等离子体处理分析结果可以推断，TMA和H2O生长的Al2O3钝化层材料中-OH与异质结材料表面形成化学键，导致2DEG密度升高；而AlN和SiN沉积过程中，NH3作为氮源导致簿膜材料中含H，异质结沟道2DEG密度减小。AIN和SiN饨化层材料虽然导致了2DEG密度降低，但是与Al2O3钝化层对比，氮化物钝化层材料使沟道载流子迁移率大大提高，且三种材料钝化后沟道方阻相当，这样氮化物表面钝化的器件在保证大电流输出的同时，还能提供更高的器件跨导和增益。
图1 表面钝化层对AlGaN/GaN异质结沟道2DEG的影响
表面钝化层材料引起沟道载流子迁移率提高，是因为表面钝化使异质结表面态密度降低，对沟道的远程杂质散射作用减弱。而钝化层对沟道2DEG密度的影响，除了与异质结表面势变化相关，还可能与薄膜材料的应力引起的异质结极化电场变化有关系，接下来就采用拉曼测试研究了三种钝化层材料对异质结应力的影响。3. GaN基MIS异质结构拉曼测试
图2 表面钝化层对AlGaN/GaN/蓝宝石外延材料拉曼光谱的影响
本文采用JY LabRam HR800拉曼测试系统研究了表面钝化层材料对异质结应力的影响。测试中采用波长为514nm的Ar+离子激光源，沿着垂直于样品表面的方向入射。无表面钝化、PEALD-AlN钝化、ALD-Al2O3钝化、及PECVD-SiN钝化异质结的拉曼光谱响应如图2所示。波数140cm-1、570cm-1、及740cm-1附近的光谱响应分别对应于AlGaN势垒层的E2(low)、E2(high)、以及A1(LO)振动模，蓝宝石衬底的峰出现在418.1cm-1，而没有观察到379.4cm-1处的蓝宝石峰和AlGaN的E1(TO)峰。表面钝化层材料对氮化物拉曼光谱响应频率影响不大，说明其对异质结外延层产生的应力很小，没有明显改变势垒层材料的晶格常数和极化电场。
图3 AlGaN/GaN异质结拉曼光谱E2(high)模的洛伦兹拟合曲线
根据AlGaN势垒层E2(high)峰的频移研究了10nm表面钝化层对异质结产生的应力，测试数据的洛伦兹拟合结果如图3所示，未钝化异质结、AIN钝化异质结、Al2O3钝化异质结、SiN钝化异质结的E2(high)模振动频率分别为571.92cm-1、572.61cm-1、571.87cm-1、572.02cm-1。PEALD沉积AlN和PECVD沉积SiN表面钝化层使E(high)峰发生蓝移，即对势垒层材料产生了额外的张应力，将会引起2DEG密度增加；而ALD沉积Al2O3钝化层使拉曼谱发生红移，即产生了额外的压应力，引起2DEG密度减小。薄膜应力σ与拉曼谱频移△ω之间存在线性关系，
σ=K△ω (1)
其中K是线性相关系数，Δω指AlGaN势垒层与GaN沟道层之间的E2(high)峰频移，而无应力的GaN材料E2(high)模峰值波数为567.6cm-1。Wagner J-M等人通过第一性原理计算得到氮化物薄膜双轴应力与E2(high)频移之间的线性系数K值为2.4cm-1·GPa-1。AlGaN势垒层在c面内的双轴应力是一致的，应力张量的所有分量应为:σxy=σyz=σzx=σzz=0，σxx=σyy≠0。σxx=σyy即为根据式(1)计算得到的应力值，可以通过下式由应力值得到c面内的压电极化电荷面密度Ppe，
PPE=2d31σxx (2)
其中d31是压电系数张量的分量，取为-1.36×10-16C·cm-2·Pa-1。表1给出了四种异质结材料的拉曼谱拟合峰、势垒层张应力大小、以及钝化层材料对压电极化效应和2DEG面密度的影响。无表面钝化的AlGaN层受到的张应力大小为1.8GPa，对2DEG面密度的贡献约为3.1×1012cm-2；AlN和SiN钝化层对势垒层产生了0.288GPa和0.04GPa的张应力，使压电极化效应增强，导致2DEG密度分别增大4.9×1011cm-2和7×1010cm-2，而Al2O3钝化层引入了0.021GPa的压应力，使压电极化效应减弱并导致2DEG密度减小4×1010cm-2。
表1 表面钝化层对异质结应力、压电极化效应、及2DEG密度的影响
表2 采用表面钝化层后应力和表面势调节对异质结2DEG面密度的影响
