N极性GaN/AlGaN异质结二维电子气模拟

通过自洽求解薛定谔方程和泊松方程,较系统地研究了GaN沟道层、AlGaN背势垒层、Si掺杂和AlN插入层对N极性GaN/AlGaN异质结中二维电子气(2DEG)的影响,分析表明,GaN沟道层厚度、AlGaN背势垒层厚度及Al组分变大都能一定程度上提高二维电子气面密度,AlGaN背势垒层的厚度和Al组分变大也可提高二维电子气限阈性,且不同的Si掺杂形式对二维电子气的影响也有差异,而AlN插入层在提高器件二维电子气面密度、限阈性等方面表现都较为突出,在模拟中GaN沟道层厚度小于5nm时无法形成二维电子气,超过20nm后二维电子气面密度趋于饱和,而AlGaN背势垒厚度超过40nm后二维电子气也有饱和趋势,对均匀掺杂和delta掺杂而言AlGaN背势垒层Si掺杂浓度超过5×10~(19)cm~(-3)后2DEG面密度开始饱和,而厚度为2nmAlN插入层的引入会使2DEG面密度从无AlN插入层时的0.93×10~(13)cm~(-2)提高到1.17×10~(13)cm~(-2)。     

磷化铟高电子迁移率晶体管外延结构材料抗电子辐照加固设计

为研究磷化铟高电子迁移率晶体管(InP HEMT)外延结构材料的抗电子辐照加固设计的效果,本文采用气态源分子束外延法制备了系列InP HEMT外延结构材料.针对不同外延结构材料开展了1.5 MeV电子束辐照试验,在辐照注量为2×10¹⁵ cm^-2条件下,并测试了InP HEMT外延结构材料二维电子气辐照前后的电学特性,获得了辐照前后不同外延结构InP HEMT材料二维电子气归一化浓度和电子迁移率随外延参数的变化规律,分析了InP HEMT二维电子气辐射损伤与Si-δ掺杂浓度、InGaAs沟道厚度和沟道In组分以及隔离层厚度等结构参数的关系.结果表明:Si-δ掺杂浓度越大,隔离层厚度较薄,InGaAs沟道厚度较大,沟道In组分低的InP HEMT外延结构二维电子气辐射损伤相对较低,具有更强的抗电子辐照能力.经分析原因如下:1)电子束与材料晶格发生能量传递,破坏晶格完整性,且在沟道异质界面引入辐射诱导缺陷,增加复合中心密度,散射增强导致二维电子气迁移率和浓度降低;2)高浓度Si-δ掺杂和薄隔离层有利于提高量子阱二维电子气浓度,降低二维电子气受辐射...     

用逆压电极化模型对AlGaN/GaN 高电子迁移率晶体管电流崩塌现象的研究

通过自洽求解一维Poisson-Schrdinger方程,模拟了AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管在工作时等效外电场对AlGaN/GaN异质结沟道处二维电子气(2DEG)浓度的影响.分析了逆压电极化效应的作用,从正-逆压电极化现象出发,提出了逆压电极化模型.计算结果显示：逆压电极化明显影响2DEG性质,当Al组分x=0.3,AlGaN层厚度为20 nm时,不考虑逆压电极化,2DEG浓度为1.53×10¹³cm^-2;当等效外电压分别为10和15V 关键词： AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管 Poisson-Schrdinger方程 逆压电极化模型 电流崩塌     

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.     

结构参数对N极性面GaN/InAlN高电子迁移率晶体管性能的影响

基于漂移-扩散传输模型、费米狄拉克统计模型以及Shockley-Read-Hall复合模型等,通过自洽求解薛定谔方程、泊松方程以及载流子连续性方程,模拟研究了材料结构参数对N极性面GaN/InAlN高电子迁移率晶体管性能的影响及其物理机制.结果表明,增加GaN沟道层的厚度(5—15 nm)与InAlN背势垒层的厚度(10—40 nm),均使得器件的饱和输出电流增大,阈值电压发生负向漂移.器件的跨导峰值随Ga N沟道层厚度的增加与InAlN背势垒层厚度的减小而减小.模拟中,各种性能参数的变化趋势均随GaN沟道层与InAlN背势垒层厚度的增加而逐渐变缓,当GaN沟道层厚度超过15 nm、InAlN背势垒层厚度超过40 nm后,器件的饱和输出电流、阈值电压等参数基本趋于稳定.材料结构参数对器件性能影响的主要原因可归于器件内部极化效应、能带结构以及沟道中二维电子气的变化.     

AlN隔离层生长时间对AlGaN/AlN/GaN HEMT材料电学性能的影响

利用金属有机化学气相沉积（MOCVD）设备,在蓝宝石（0001）面上外延不同生长时间AlN隔离层的Al_xGa_1-xN/AlN/GaN结构的高电子迁移率的晶体管（HEMT）,研究了AlN隔离层厚度对HEMT材料电学性能的影响。研究发现采用脉冲法外延（PALE）技术生长AlN隔离层的时间为12 s（1 nm左右）时,HEMT材料的方块电阻最小,电子迁移率为1 500 cm²·V^-1·s^-1,二维电子气（2DEG）浓度为1.16×10¹³ cm^-2。AFM测试结果表明,一定厚度范围内的AlN隔离层并不会对材料的表面形貌产生重大的影响。HRXRD测试结果表明,AlGaN/AlN/GaN具有好的异质结界面。     

背势垒层结构对AlGaN/GaN双异质结载流子分布特性的影响

首先通过一维自洽求解薛定谔/泊松方程,研究了AlGaN/GaN双异质结构中AlGaN背势垒层Al组分和厚度对载流子分布特性的影响.其次利用低压MOCVD方法在蓝宝石衬底上生长出具有不同背势垒层的AlGaN/GaN双异质结构材料,通过汞探针CV测试验证了理论计算的正确性.理论计算和实验结果均表明,随着背势垒层Al组分的提高和厚度的增加,主沟道中的二维电子气面密度逐渐减小,寄生沟道的二维电子气密度逐渐增加;背势垒层Al组分的提高和厚度的增加能有效的增强主沟道的二维电子气限域性,但是却带来了较高的 关键词： AlGaN/GaN 双异质结构 限域性 寄生沟道     

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     

具有部分本征GaN帽层新型AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管特性分析

为了优化传统Al GaN/GaN高电子迁移率晶体管(high electron mobility transistors,HEMTs)器件的表面电场,提高击穿电压,本文提出了一种具有部分本征GaN帽层的新型Al GaN/GaN HEMTs器件结构.新型结构通过在Al GaN势垒层顶部、栅电极到漏电极的漂移区之间引入部分本征GaN帽层,由于本征GaN帽层和Al GaN势垒层界面处的极化效应,降低了沟道二维电子气(two dimensional electron gas,2DEG)的浓度,形成了栅边缘低浓度2DEG区域,使得沟道2DEG浓度分区,由均匀分布变为阶梯分布.通过调制沟道2DEG的浓度分布,从而调制了Al GaN/GaN HEMTs器件的表面电场.利用电场调制效应,产生了新的电场峰,且有效降低了栅边缘的高峰电场,Al GaN/GaN HEMTs器件的表面电场分布更加均匀.利用ISE-TCAD软件仿真分析得出:通过设计一定厚度和长度的本征GaN帽层,Al GaN/GaN HEMTs器件的击穿电压从传统结构的427 V提高到新型结构的960 V.由于沟道2DEG浓度减小,沟道电阻增加,使得新型Al GaN/GaN HEMTs器件的最大输出电流减小了9.2%,截止频率几乎保持不变,而最大振荡频率提高了12%.     

ZnMgO/ZnO异质结构中二维电子气的研究

论文根据ZnMgO/ZnO异质结构二维电子气的能带结构及相关理论模型, 采用一维Poisson-Schrodinger方程的自洽求解, 模拟计算了ZnMgO/ZnO异质结构中二维电子气的分布及其对ZnMgO势垒层厚度及Mg组分的依赖关系. 研究发现该异质结构中ZnMgO势垒层厚度存在一最小临界值: 当垒层厚度小于该临界值时, 二维电子气消失, 当垒层厚度大于该临界值时, 其二维电子气密度随着该垒层厚度的增加而增大; 同时研究发现ZnMgO势垒层中Mg组分的增加将显著增强其二维电子气的行为, 导致二维电子气密度的明显增大; 论文对模拟计算获得的结果与相关文献报道的实验结果进行了比较, 并从极化效应和能带结构的角度进行了分析和讨论, 给出了合理的解释. 关键词： 氧化锌 二维电子气 异质结构 理论计算     

Electronic subband structure in two-dimensional electron gases under intense laser radiations

We present a theoretical study on the influence of intense terahertz (THz) electromagnetic (EM) radiations on the electronic structures in a modulation-doped two-dimensional (2D) semiconductor system. We find that in the presence of a THz EM radiation field polarised linearly along the 2D-plane of a 2D electron gas (2DEG), the electron density of states will be modified strongly by the intensity and the frequency of the radiation field. As a consequence, the Fermi-energy and the electron density in the system will be affected markedly by the EM radiations. The results have indicated that the photon-modified electronic subband structure in a 2DEG device can be observed by using the recently developed free-electron laser sources.     

AlxGa1-x N/GaN调制掺杂异质结构的子带性质研究

通过低温和强磁场下的磁输运测量研究了Al_0.22Ga_0.78N/GaN调制掺杂异质结构中2DEG的子带占据性质和子带输运性质.在该异质结构的磁阻振荡中观察到了双子带占据现象，并发现2DEG的总浓度随第二子带浓度的变化呈线性关系.得到了该异质结构中第二子带被2DEG占据的阈值电子浓度为7.3×10¹²cm^-2.采用迁移率谱技术得到了不同样品的分别对应于第一和第二子带的输运迁移率.发现当样品产生应变弛豫时第一子带的电子迁移 关键词： AlGaN/GaN异质结 二维电子气 子带占据 输运迁移率     

变In组分沟道的MM-HEMT材料电子输运特性研究

在变缓冲层高迁移率晶体管（MM_HEMT）器件中，二维电子气的输运性质对器件性能起着决定作用.通过低温下二维电子气横向电阻的量子振荡现象，结合变温度的Hall测量，系统研究了不同In组分沟道MM_HEMT器件中子带电子迁移率和浓度随温度的变化关系.结果表明，沟道中In组分为0.65的样品，材料电学性能最好，In组分高于0.65的样品，严重的晶格失配将产生位错，引起迁移率下降，大大影响材料和器件的性能. 关键词： 变缓冲层高迁移率晶体管 Shubnikov_de Hass 振荡     

量子点场效应单光子探测器二维电子气载流子浓度研究

设计了一种基于场效应晶体管的量子点场效应单光子探测器(quantum dot field effect transistor,QDFET),建立了二维电子气(two-dimensional electron gas,2DEG)的薛定谔方程和泊松方程,通过对薛定谔方程和泊松方程的自洽求解,对2DEG的载流子浓度进行了模拟。模拟结果显示,AlGaAs的Al组分、δ掺杂层的掺杂浓度以及隔离层的厚度对于2DEG的载流子浓度均有影响。为了使2DEG具有较高的载流子浓度,AlGaAs的Al组分应为0.2~0.4,δ掺杂浓度应为6~8×10~(13)/cm~2,隔离层厚度应在50nm以下。通过对2DEG的载流子浓度进行研究,可以掌握2DEG载流子浓度的影响因素,从而通过优化QDFET结构,可提高2DEG的载流子浓度。这对于高灵敏度QDFET的制备具有重要的意义和应用价值。     

Self-consistent analysis of double-δ-doped InAlAs/InGaAs/InP HEMTs

We have carried out a theoretical study of double-5-doped InAlAs/InGaAs/InP high electron mobility transistor （HEMT） by means of the finite differential method. The electronic states in the quantum well of the HEMT are calculated self-consistently. Instead of boundary conditions, initial conditions are used to solve the Poisson equation. The concentration of two-dimensional electron gas （2DEG） and its distribution in the HEMT have been obtained. By changing the doping density of upper and lower impurity layers we find that the 2DEG concentration confined in the channel is greatly affected by these two doping layers. But the electrons depleted by the Schottky contact are hardly affected by the lower impurity layer. It is only related to the doping density of upper impurity layer. This means that we can deal with the doping concentrations of the two impurity layers and optimize them separately. Considering the sheet concentration and the mobility of the electrons in the channel, the optimized doping densities are found to be 5 × 10^12 and 3× 10^12 cm^-2 for the upper and lower impurity layers, respectively, in the double-5-doped InAlAs/InGaAs/InP HEMTs.     

Influence of a two-dimensional electron gas on current-voltage characteristics of Al_0.3Ga_0.7 N/GaN high electron mobility transistors

The J-V characteristics of AltGa1 tN/GaN high electron mobility transistors(HEMTs) are investigated and simulated using the self-consistent solution of the Schro¨dinger and Poisson equations for a two-dimensional electron gas(2DEG) in a triangular potential well with the Al mole fraction t = 0.3 as an example.Using a simple analytical model,the electronic drift velocity in a 2DEG channel is obtained.It is found that the current density through the 2DEG channel is on the order of 1013 A/m2 within a very narrow region(about 5 nm).For a current density of 7 × 1013 A/m2 passing through the 2DEG channel with a 2DEG density of above 1.2 × 1017 m-2 under a drain voltage Vds = 1.5 V at room temperature,the barrier thickness Lb should be more than 10 nm and the gate bias must be higher than 2 V.     

AlGaN/GaN双异质结F注入增强型高电子迁移率晶体管

理论模拟了不同GaN沟道厚度的双异质结(AlGaN/GaN/AlGaN/GaN)材料对高电子迁移率晶体管(HEMT)特性的影响,并模拟了不同F注入剂量下用该材料制作的增强型器件的特性差异.采用双异质结材料,结合F注入工艺成功地研制出了较高正向阈值电压的增强型HEMT器件.实验研究了三种GaN沟道厚度制作的增强型器件直流特性的差异,与模拟结果进行了对比验证.采用降低的F注入等离子体功率,减小了等离子体处理工艺对器件沟道迁移率的损伤,研制出的器件未经高温退火即实现了较高的跨导和饱和电流特性.对14 nm GaN沟道厚度的器件进行了阈值电压温度稳定性和栅泄漏电流的比较研究,并且分析了双异质结器件的漏致势垒降低效应.     

Magnetotransport, optical, and electronic subband properties in AlxGa1−xN/AlN/GaN heterostructures

The Shubnikov-de Haas (S-dH) results at 1.5 K for Al_xGa_1−xN/AlN/GaN heterostructures and the fast Fourier transformation data for the S-dH data indicated the occupation by a two-dimensional electron gas (2DEG) of one subband in the GaN active layer. Photoluminescence (PL) spectra showed a broad PL emission about 30 meV below the GaN exciton emission peak at 3.474 eV that could be attributed to recombination between the 2DEG occupying in the AlN/GaN heterointerface and photoexcited holes. A possible subband structure was calculated by a self-consistent method taking into account the spontaneous and piezoelectric polarizations, and one subband was occupied by 2DEG below the Fermi level, which was in reasonable agreement with the S-dH results. These results can help improve understanding of magnetotransport, optical, and electronic subband properties in Al_xGa_1−xAs/AlN/GaN heterostructures.     

Electron mobility limited by surface and interface roughness scattering in AlxGa1-xN/GaN quantum wells

The electron mobility limited by the interface and surface roughness scatterings of the two-dimensional electron gas in AlxGa1-xN/GaN quantum wells is studied. The newly proposed surface roughness scattering in the AlGaN/GaN quantum wells becomes effective when an electric field exists in the AlxGa1-xN barrier. For the AlGaN/GaN potential well, the ground subband energy is governed by the spontaneous and the piezoelectric polarization fields which are determined by the barrier and the well thicknesses. The thickness fluctuation of the AlGaN barrier and the GaN well due to the roughnesses cause the local fluctuation of the ground subband energy, which will reduce the 2DEG mobility.