GaN/AlN半导体异质结带阶超原胞法计算

为了对GaN/AlN异质结电子结构有更为深入的认识,采用超原胞模型,对其进行了基于密度泛函理论的第一性原理计算.结果发现GaN/AlN为突变同型异质结,价带顶带阶为0.62eV,与实验值很接近.通过使用常用的平均键能法、平均势法和芯态法三种近似方法对GaN/AlN带阶的计算,比较得出,超原胞法虽然计算量较大,但能够给出异质结界面附近更为详细的信息,这一点其他三种近似方法无法得到,但他们也能够得出与实验值基本一致的带阶参量.     

GaN基异质结缓冲层漏电分析

通过对GaN基异质结材料C-V特性中耗尽电容的比较,得出AlGaN/GaN异质结缓冲层漏电与成核层的关系.实验结果表明,基于蓝宝石衬底低温GaN成核层和SiC衬底高温AlN成核层的异质结材料比基于蓝宝石衬底低温AlN成核层异质结材料漏电小、背景载流子浓度低.深入分析发现,基于薄成核层的异质结材料在近衬底的GaN缓冲层中具有高浓度的n型GaN导电层,而基于厚成核层的异质结材料的GaN缓冲层则呈高阻特性.GaN缓冲层中的n型导电层是导致器件漏电主要因素之一,适当提高成核层的质量和厚度可有效降低GaN缓冲层的背景载流子浓度,提高GaN缓冲层的高阻特性,抑制缓冲层漏电. 关键词： AlGaN/GaN异质结 GaN缓冲层 漏电 成核层     

高温AlN插入层对AlGaN/GaN异质结材料和HEMTs器件电学特性的影响

研究了在GaN缓冲层中插入40 nm厚高温AlN层的GaN外延层和AlGaN/GaN异质结材料, AlN插入层可以增加GaN层的面内压应力并提高AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMTs）的电学特性. 在精确测量布拉格衍射角的基础上定量计算了压应力的大小. 增加的压应力一方面通过增强GaN层的压电极化电场, 提高了AlGaN/GaN异质结二维电子气（2DEG）面密度, 另一方面使AlGaN势垒层对2DEG面密度产生的两方面影响相互抵消. 同时, 这种AlN插入层的采用降低了GaN与AlGaN层之间的 关键词： 高温AlN插入层 AlGaN/GaN异质结 二维电子气 应力     

平均键能方法在应变层异质结带阶研究中的应用

将平均键能方法推广应用于应变层异质结的带阶研究.通过流体静压力应变和单轴应变对带阶参量E_mv作用的仔细研究,发现平均带阶参量E_mv,av=E_m-E_v,av在不同应变状态下基本上保持不变.因此,在应变层带阶参量E_mv的计算中,只需计算其发生应变前体材料的带阶参量E_mv,o值并引用形变势b和SO裂距Δ₀的实验值,通过简便的代数运算得到应变层的E_{mv 关键词： 异质结 平均键能方法 价带偏移}     

AlN/InN和AlN/GaN超晶格能带结构研究

利用Krönig-Penney 模型和形变势理论,从理论上探讨了纤锌矿型AlN/InN和AlN/GaN超晶格系统的能带结构及不同应变模式对能带结构的影响,计算得到了能带结构随各亚层参量变化的一般性规律、超晶格的能量色散关系、应变造成的影响以及不同亚层厚度的系统禁带宽度和导带第一子禁带宽度.研究发现,通过改变亚层厚度可以从不同形式设计能带结构,应变会改变系统禁带宽度,使带阶和子能带明显窄化,价带结构趋于复杂甚至生成准能带结构.与实验结果对比后发现,该模型适于模拟窄势阱结构超晶格,而对于宽势阱则必须 关键词： AlN/InN和AlN/GaN超晶格 Krönig-Penney模型 应变 子能带     

平均键能方法在应变层异质结带阶计算中的简化模型

将平均键能方法推广应用于应变层异质结的价带和导带阶研究。通过平均带阶参数形变热amv来研究带阶参数Emv随应变状态的变化关系,发现平均带阶参数Emv.av=Em-Ev.av在不同应变状态下基本上保持不变。因此,在应变层带阶参数Emv的计算中,只需计算其发生应变前体材料的带阶参数Emv.o值并引用形变b和SO裂距△0的实验值,通过简便的代数运算即可得到应变层的Emv值,从而方便地预言不同应变层异质结的价带带阶。本文引入带隙形变势aGap来描述带隙改变量△Eg随应变状态的变化。由导带带阶和价带带阶的关系△Ec=△Eg △Ev可以求出不同应变情况下的导带带阶。     

AlGaN/GaN肖特基结参数分析与电流运输机理研究

通过对AlGaN/GaN HEMT器件肖特基栅电流输运机理的研究,在变温下采用I-V法对AlGaN/GaN上的Ni/Au肖特基势垒高度和理想因子进行了计算. 通过对不同电流机理的分立研究,得到了更为准确的势垒高度值_b. 通过分析温度在300—550K之间肖特基反向泄漏电流的特性,得出结论：AlGaN材料的表面漏电不是HEMT器件反向泄漏电流的主要来源. 关键词： AlGaN/GaN异质结 肖特基结 理想因子     

应变层异质结ZnS/ZnSe、ZnS/ZnSxSe1-x和ZnSe/ZnSxSe1-x价带带阶的研究

采用基于原子球近似下线性Mufin-Tin轨道(LMTO-ASA)的平均键能计算方法,研究了以ZnS_xSe_1-x为衬底,沿(001)方向外延生长的应变层异质结ZnS/ZnSe、ZnS/ZnS_xSe_1-x和ZnSe/ZnS_xSe_1-x的价带带阶值ΔE_v(x).研究表明,ΔE_v(x)值随衬底合金组分x单调变化。且两者的关系是非线性的。在此计算结果与其它理论计算和实验结果符合较好。     

铝中空位形成能计算时的原胞尺寸等参数效应

使用第一原理赝势法计算简单金属铝中空位的形成能，详细讨论空位形成能的理论计算值与所用超原胞大小、k点数等参数的关系.结果显示，使用第一原理的超原胞方法计算单个空位的形成能时，超原胞的大小应取到百余个原子.用108个原子的超原胞进行计算时，所得结果与实验值符合很好. 关键词：     

AlN插入层对AlxGa1-xN/GaN界面电子散射的影响

本文研究AlN作为Al_xGa_1-xN/GaN插入层引起的电子输运性质的变化, 考虑了Al_xGa_1-xN和AlN势垒层的自发极化、压电极化对Al_xGa_1-xN/AlN/GaN双异质结高电子迁移率晶体管(HEMT)中极化电荷面密度、二维电子气(2DEG) 浓度的影响, 分析了AlN厚度与界面粗糙度散射和合金无序散射的关系; 结果表明, 2DEG 浓度、界面粗糙度散射和合金无序散射依赖于AlN层厚度, 插入一层1–3 nm薄的AlN层, 可以明显提高电子迁移率.     

Normally-off AlGaN/GaN heterojunction field-effect transistors with in-situ AlN gate insulator

AlGaN/GaN heterojunction field-effect transistors (HFETs) with p-GaN cap layer are developed for normally-off operation, in which an in-situ grown AlN layer is utilized as the gate insulator. Compared with the SiN_x gate insulator, the AlN/p-GaN interface presents a more obvious energy band bending and a wider depletion region, which helps to positively shift the threshold voltage. In addition, the relatively large conduction band offset of AlN/p-GaN is beneficial to suppress the gate leakage current and enhance the gate breakdown voltage. Owing to the introduction of AlN layer, normally-off p-GaN capped AlGaN/GaN HFET with a threshold voltage of 4 V and a gate swing of 13 V is realized. Furthermore, the field-effect mobility is approximately 1500 cm²·V^-1·s^-1 in the 2DEG channel, implying a good device performance.     

掺杂GaN/AlN超晶格第一性原理计算研究

第一性原理计算方法在解释实验现象和预测新材料结构及其性质上有着重要作用. 因此, 通过基于密度泛函理论的第一性原理的方法, 本文系统地研究了Mg和Si掺杂闪锌矿和纤锌矿两种晶体结构的GaN/AlN超晶格体系中的能量稳定性以及电学性质. 结果表明: 在势阱层(GaN 层)中, 掺杂原子在体系中的掺杂形成能不随掺杂位置的变化而发生变化, 在势垒层(AlN层)中也是类似的情况, 这表明对于掺杂原子来说, 替代势垒层(或势阱层)中的任意阳离子都是等同的; 然而, 相比势阱层和势垒层的掺杂形成能却有很大的不同, 并且势阱层的掺杂形成能远低于势垒层的掺杂形成能, 即掺杂元素(Mg_Ga, Mg_Al, Si_Ga和Si_Al)在势阱区域的形成能更低, 这表明杂质原子更易掺杂于结构的势阱层中. 此外, 闪锌矿更低的形成能表明: 闪锌矿结构的超晶格体系比纤锌矿结构的超晶格体系更易于实现掺杂; 其中, 闪锌矿结构中, 负的形成能表明: 当Mg原子掺入闪锌矿结构的势阱层中会自发引起缺陷. 由此, 制备以闪锌矿结构超晶格体系为基底的p型半导体超晶格比制备n型半导体超晶格需要的能量更低并且更为容易制备. 对于纤锌矿体系来说, 制备p型和n型半导体的难易程度基本相同. 电子态密度对掺杂体系的稳定性和电学性质进一步分析发现, 掺杂均使得体系的带隙减小, 掺杂前后仍然为第一类半导体. 综上所述, 本文内容为当前实验中关于纤锌矿结构难以实现p型掺杂问题提供了一种新的技术思路, 即可通过调控相结构实现其p型掺杂.     

Energy band alignment of PbTe/CdTe(111) interface determined by ultraviolet photoelectron spectra using synchrotron radiation

The energy band structure with type-I alignment at the PbTe/CdTe(111) heterojunction interface is determined by the ultraviolet photoelectron spectrum using synchrotron radiation.The valence band and conduction band offsets are obtained to be 0.09±0.12 and 1.19±0.12 eV,respectively.These results are in agreement with theoretically predicted ones.The accurate determination of the valence band and conduction band offsets is useful for the fundamental understanding of the mid-infrared light emission from the PbTe/CdTe heterostructures and its application in devices.     

Calculations of two dimensional electron gas distributions in AlGaN/GaN material system

This paper presents calculating results of the two-dimensional electron gas (2DEG) distributions in AlGaN/GaN material system by solving the Schr\"{o}dinger and Poisson equations self-consistently. Due to high 2DEG density in the AlGaN/GaN heterojunction interface, the exchange correlation potential should be considered among the potential energy item of Schr\"{o}dinger equation. Analysis of the exchange correlation potential is given. The dependencies of the conduction band edge, 2DEG density on the Al mole fraction are presented. The polarization fields have strong influence on 2DEG density in the AlGaN/GaN heterojunction, so the dependency of the conduction band edge on the polarization is also given.     

Calculations of two dimensional electron gas distributions in AlGaN/GaN material system

This paper presents calculating results of the two-dimensional electron gas （2DEG） distributions in AlGaN/GaN material system by solving the Schroedinger and Poisson equations self-consistently. Due to high 2DEG density in the AlGaN/GaN heterojunction interface, the exchange correlation potential should be considered among the potential energy item of Schroedinger equation. Analysis of the exchange correlation potential is given. The dependencies of the conduction band edge, 2DEG density on the Al mole fraction are presented. The polarization fields have strong influence on 2DEG density in the AlGaN/GaN heterojunction, so the dependency of the conduction band edge on the polarization is also given.     

纤锌矿AlGaN/AlN/GaN异质结构中光学声子散射影响的电子迁移率

对含有AlN插入层纤锌矿Al_xGa_1-xN/AlN/GaN异质结构,考虑有限厚势垒和导带弯曲的实际 异质结势,同时计入自发极化和压电极化效应产生的内建电场作用,采用数值自洽求解薛定谔方程和泊松方程, 获得二维电子气(2DEG)中电子的本征态和本征能级.依据介电连续模型和Loudon单轴晶体模型, 用转移矩阵法分析该体系中可能存在的光学声子模及三元混晶效应.进一步, 在室温下计及各种可能存在的光学声子散射,推广雷-丁平衡方程方法,讨论2DEG分布及二维电子迁移率的 尺寸效应和三元混晶效应.结果显示: AlN插入层厚度和Al_xGa_1-xN势垒层中Al组分的增加均会 增强GaN层中的内建电场强度,致使2DEG的分布更靠近异质结界面,使界面光学声子强于其他类型的 光学声子对电子的散射作用而成为影响电子迁移率的主导因素.适当调整AlN插入层的厚度和Al组分, 可获得较高的电子迁移率.