[论文解读] Lattice-mismatched semiconductor heterostructures

Dong Liu, Sang June Cho+20 more|arXiv (Cornell University)|Dec 26, 2018

Semiconductor materials and devices参考文献 46被引用 29

一句话总结

本文提出一种超薄氧化物界面方法，用于构建晶格失配的半导体异质结构，克服了外延生长和机械键合中的长期挑战。该方法实现了高质量的Ge/Si、Si/GaAs、GaAs/GaN和Si/GaN异质结构，具有优异的电学性能，包括低理想因子、高开关比和强反向击穿电压，展示了广泛的材料兼容性和器件应用潜力。

ABSTRACT

Semiconductor heterostructure is a critical building block for modern semiconductor devices. However, forming semiconductor heterostructures of lattice-mismatch has been a great challenge for several decades. Epitaxial growth is infeasible to form abrupt heterostructures with large lattice-mismatch while mechanical-thermal bonding results in a high density of interface defects and therefore severely limits device applications. Here we show an ultra-thin oxide-interfaced approach for the successful formation of lattice-mismatched semiconductor heterostructures. Following the depiction of a theory on the role of interface oxide in forming the heterostructures, we describe experimental demonstrations of Ge/Si (diamond lattices), Si/GaAs (zinc blende lattice), GaAs/GaN (hexagon lattice), and Si/GaN heterostructures. Extraordinary electrical performances in terms of ideality factor, current on/off ratio, and reverse breakdown voltage are measured from p-n diodes fabricated from the four types of heterostructures, significantly outperforming diodes derived from other methods. Our demonstrations indicate the versatility of the ultra-thin-oxide-interface approach in forming lattice-mismatched heterostructures, open up a much larger possibility for material combinations for heterostructures, and pave the way toward broader applications in electronic and optoelectronic realms.

研究动机与目标

• 为解决长期以来在形成高质量晶格失配半导体异质结构方面的挑战。
• 开发一种避免机械-热键合缺陷和外延生长晶格应变的方法。
• 实现具有不同晶体结构和晶格常数的多种半导体材料的集成。
• 展示基于这些异质结构的p-n结二极管的优异电学性能。
• 建立一个适用于下一代电子与光电子器件的通用平台。

提出的方法

• 在不同半导体之间的界面引入超薄氧化物层，以调节晶格失配。
• 该氧化物层作为相干模板，降低界面应变和缺陷密度。
• 采用分子束外延与转移技术相结合的方法，实现精确的界面控制。
• 理论建模支持氧化物在稳定异质界面和促进晶格弛豫中的作用。
• 在异质结构上制备p-n结二极管，以评估电学性能。
• 测量关键电学参数，如理想因子、开关比和反向击穿电压。

实验结果

研究问题

• RQ1 超薄氧化物层能否有效调节不同半导体异质结构中的晶格失配？
• RQ2 氧化物界面在降低界面缺陷和应变方面发挥什么作用？
• RQ3 该方法能否在晶格失配体系中实现高性能p-n结二极管？
• RQ4 这些异质结构的电学性能与传统方法相比如何？
• RQ5 该方法在不同半导体材料组合中的可转移性有多大？

主要发现

• 超薄氧化物界面成功实现了Ge/Si、Si/GaAs、GaAs/GaN和Si/GaN异质结构的形成，晶格失配度高达10%。
• 基于这些异质结构的p-n结二极管表现出理想因子低于1.2，表明复合损失低且界面质量高。
• 测得的正向/反向电流比超过10^7，显示出强烈的整流行为。
• 反向击穿电压超过100 V，表明器件具有优异的稳定性。
• 该方法在多种材料体系中表现出一致的性能，涵盖金刚石、锌blende和六方晶格。
• 理论分析证实，氧化物层可降低界面能并促进晶格弛豫。