AlxGa1-xN/GaN异质结构中Al组分对二维电子气性质的影响

通过用数值计算方法自洽求解薛定谔方程和泊松方程,研究了Al组分对AlxGa1-xN/GaN异质结构二维电子气性质的影响,给出了AlxGa1-xN/GaN异质结构二维电子气分布和面密度,导带能带偏移以及子带中电子分布随AlxGa1-xN势垒层中Al组分的变化关系,并用AlxGa1-xN/GaN异质结构自发极化与压电极化机理和能带偏移对结果进行讨论分析.     

AlxGa1-xN/GaN异质结构中Al组分对二维电子气性质的影响

通过用数值计算方法自洽求解薛定谔方程和泊松方程，研究了Al组分对Al_xGa1-xN/GaN异质结构二维电子气性质的影响，给出了Al_xGa_{1-x< /sub>N/GaN异质结构二维电子气分布和面密度，导带能带偏移以及子带中电子分布随AlxGa 1-xN势垒层中Al组分的变化关系，并用AlxGa1-xN/GaN 异质结构自发极化与压电极化机理和能 关键词： x}Ga_1-xN/GaN异质结构')" href="#">Al_xGa_1-xN/GaN异质结构 二维电子气 自发极化 压电极化     

InAlN/GaN异质结二维电子气波函数的变分法研究

使用变分法推导了InAlN/GaN异质结二维电子气波函数和基态能级的解析表达式,并讨论了InAlN/GaN异质结结构参数对二维电子气电学特性的影响.在假设二维电子气来源于表面态的前提下,使用了一个包含两个变分参数的尝试波函数推导电子总能量期望值,并通过寻找能量期望极小值确定变分参数.计算结果显示,二维电子气面密度随InAlN厚度的增大而增大,且理论结果与实验结果一致.二维电子气面密度增大抬高了基态能级与费米能级,并保持二者之差增大以容纳更多电子.InAlN/GaN界面处的极化强度失配随着In组分增大而减弱,二维电子气面密度随之减小,并导致基态能级与费米能级减小.所建立的模型能够解释InAlN/GaN异质结二维电子气的部分电学行为,并为电子输运与光学跃迁的研究提供了解析表达式.     

AlxGa1-xN/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Al0.22Ga0.78N/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率骤然下降,而且第二子带的电子迁移率远大于第一子带的电子迁移率.用电子波函数分布和应变弛豫时的失配位错散射解释了上述现象.同时进一步说明了界面粗糙散射和合金无序散射是决定AlxGa1-xN/GaN异质结构中2DEG迁移率的主要散射机理.     

晶格匹配InAlN/GaN和InAlN/AlN/GaN材料二维电子气输运特性研究

文章研究了InAlN/GaN和引入AlN界面插入层形成的InAlN/AlN/GaN材料的输运性质. 样品均在蓝宝石上以脉冲金属有机物化学气相淀积法生长,霍尔迁移率变温特性具有典型的二维电子气(2DEG)特征. 综合各种散射机理包括声学形变势散射、压电散射、极性光学声子散射、位错散射、合金无序散射和界面粗糙度散射,理论分析了温度对迁移率的影响,发现室温下两种材料中2DEG支配性的散射机理都是极性光学波散射和界面粗糙度散射;AlN插入层对InAlN/GaN材料迁移率的改善作用一方面是免除2DEG的合金无序散射,另外还显著改善异质界面,抑制了界面粗糙度散射. 考虑到2DEG密度也是影响其迁移率的重要因素,结合实验数据给出了晶格匹配InAlN/GaN和InAlN/AlN/GaN材料的2DEG迁移率随电子密度变化的理论上限. 关键词： InAlN/GaN 二维电子气 迁移率     

GaN／A1xGal-xN异质结二维电子气的磁电阻研究

通过对GaN／A1xGa1-xN异质结中二维电子气磁输运结果的分析,研究了磁电阻的起因．结果表明,整个磁场范围的负磁电阻是由电子一电子相互作用引起的,而高场下的正磁电阻来源于平行电导的进一步修正．用拟合的方法得到了电子一电子相互作用项以及平行电导层的载流子浓度和迁移率,并用不同的计算方法对拟合结果进行了验证．     

GaN/AlxGa1-xN异质结二维电子气的磁电阻研究

通过对GaN/Al_xGa_1-xN异质结中二维电子气磁输运结果的分析,研究了磁电阻的起因.结果表明,整个磁场范围的负磁电阻是由电子-电子相互作用引起的,而高场下的正磁电阻来源于平行电导的进一步修正.用拟合的方法得到了电子-电子相互作用项以及平行电导层的载流子浓度和迁移率,并用不同的计算方法对拟合结果进行了验证.     

AlGaN/GaN异质结构中极化与势垒层掺杂对二维电子气的影响

从Ⅲ族氮化物中压电极化对应变弛豫度的依赖关系出发，通过自洽求解薛定谔方程和泊松方程,分别研究了自发极化、压电极化和AlGaN势垒层掺杂对AlxGa1-xN/GaN异质结构二维电子气的浓度、分布、面密度以及子带分布等性质的影响.结果表明：二维电子气性质强烈依赖于极化效应,不考虑AlGaN势垒层掺杂，当Al组分为0.3时，由极化导致的二维电子气浓度达1.6×10--13cm-2,其中压电极化对二维电子气贡献为0.7×10-13cm-2，略小于自发极化的贡献(0.9×10-13cm-2)，但为同一数量级，因而通过控制AlGaN层应变而改变极化对于提高二维电子气浓度至关重要. AlGaN势垒层掺杂对二维电子气的影响较弱, 当掺杂浓度从1×10-17增加到1×10-18cm-3时，二维电子气面密度增加0.2×10-13cm-2. 关键词： AlxGa1-xN/GaN 异质结构 二维电子气 自发极化 压电极化     

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)。     

AlGaN/AlN/GaN结构中二维电子气的输运特性

对使用金属有机物汽相沉积法生长的AlGaN/AlN/GaN结构进行的变温霍尔测量，测量结果指出在AlN/GaN界面处有二维电子气存在且迁移率和浓度在2K时分别达到了1.4×10⁴cm²·V^-1·s^-1和9.3×10¹²cm^-2，且在200K到2K范围内二维电子气的浓度基本不变，变磁场霍尔测量发现只有一种载流子(电子)参与导电.在2K温度下，观察到量子霍尔效应，Shubnikov-de Haas (SdH) 振荡在磁场约为3T时出现，证明了此结构呈现了典型的二维电子气行为.通过实验数据对二维电子气散射过程的半定量分析，推出量子散射时间为0.23ps，比以往报道的AlGaN/GaN结构中的散射时间长，说明引入AlN层可以有效减小合金散射，进一步的推断分析发现低温下以小角度散射占主导地位.     

Mg掺杂的AlxGa1-xN/GaN超晶格紫外峰的性质

观测了不同Mg含量的Al_xGa_1-xN/GaN超晶格(SLs)样品在不同退火温度和激发强度下的光致发光(PL)光谱。结合霍尔测量,分析了其紫外发射(UVL)峰的起源及相关影响因素。实验发现:同一样品在N₂气氛中高温退火,UVL峰强随退火温度的升高,先增至饱和继而急剧下降,峰位红移;而在相同退火条件下,随着掺杂Mg的流量增加,样品空穴浓度下降,峰强减弱,峰位红移。结果表明:UVL峰是来自于易热分解的浅施主(V_NH)与浅受主(Mg_Ga)之间的跃迁,并受到深施主(Mg_GaV_N)与浅受主(Mg_Ga)自补偿效应的影响。实验上随着PL光谱激发强度的增强,UVL峰位约有260 meV的蓝移,结合超晶格极化场下的能带模型分析,认为这是极化效应导致的锯齿状能带中,V_NH与Mg_Ga之间跃迁方式的改变引起的现象。     

梯度铝镓氮缓冲层对氮化镓外延层性质的影响

采用金属有机物化学气相沉积系统在硅面碳化硅衬底的(0001)面上生长氮化铝缓冲层,并通过改变3层梯度铝镓氮(Al_xGa_(1-x)N:x=0.8,0.5,0.2)缓冲层的生长温度和氨气流量,制备出了高质量的氮化镓外延层。分别采用X射线衍射、原子力显微镜、光致发光谱和拉曼光谱对氮化镓外延层进行表征。实验结果表明,随着氮化镓外延层中张应力的降低,样品的晶体质量、表面形貌和光学质量都有显著提高。在最优的梯度铝镓氮缓冲层的生长条件下,氮化镓外延层中的应力值最小,氮化镓(0002)和(1012)面的摇摆曲线半峰宽分别为191 arcsec和243 arcsec,薄膜螺位错密度和刃位错密度分别为7×10~7cm~(-2)和3.1×108cm~(-2),样品表面粗糙度为0.381 nm。这说明梯度铝镓氮缓冲层可以改变氮化镓外延层的应力状态,显著提高氮化镓外延层的晶体质量。     

Design of a Resonant-Cavity-Enhanced p-i-n GaN/AlxGa1-xN Photodetector

A resonant-cavity-enhanced p-i-n photodetector has been designed and analyzed to operate at a wavelength of 360 nm based on the Al_xGa_1-xN material system. The novel approach has been adopted of using epitaxial AlN/Al_xGa_1-xN quarter-wave stacks as the distributed Bragg reflector that serves as the front mirror. An Al_xGa_1-xN absorptive filter layer is incorporated to suppress all but one resonant mode to ensure single, narrow-band operation. This device structure is projected to achieve wavelength selective, high speed, and high quantum efficiency operation in the ultraviolet. MOCVD-grown 6 1/2-pair AlN/Al_xGa_1-x     

声子色散对抛物量子点中极化子基态能量的影响

在声子色散影响下利用压缩态变分法计算了抛物量子点中弱耦合极化子的基态能量。采用的变分方法是基于逐次正则并且利用单模压缩态变换处理通常被我们所忽略的在第一次幺正变换中产生的声子产生湮灭算符的双线性项。计算得出了在考虑声子色散的情况下抛物量子点中弱耦合极化子的基态能量的数学表达式。讨论了抛物量子点中在电子-声子弱耦合情况下,受限长度,电子-声子耦合常数,色散系数与极化子基态能量之间的依赖关系。     

纤锌矿GaN/AlxGa1-xN量子阱中极化子能量

采用LLP变分方法研究了纤锌矿GaN/Al_xGa_1-xN量子阱材料中极化子的能级,给出极化子基态能量、第一激发态能量和第一激发态到基态的跃迁能量与量子阱宽度和量子阱深度变化的函数关系。研究结果表明,极化子基态能量、第一激发态能量和跃迁能量随着阱宽L的增大而开始急剧减小,然后缓慢下降,最后接近于体材料GaN中的相应值。基态能量和第一激发态到基态的跃迁能量随着量子阱深度的增加而逐渐增加,窄阱时这一趋势更明显。纤锌矿氮化物量子阱中电子-声子相互作用对能量的贡献比较大,这一值(约40meV)远远大于闪锌矿(GaAs/Al_xGa_1-xAs)量子阱中相应的值(约3meV)。因此讨论GaN/Al_xGa_1-xN量子阱中电子态问题时应考虑电子-声子相互作用。     

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.     

Neutron Irradiation Effect in Two-Dimensional Electron Gas of AlGaN/GaN Heterostructures

AlGaN/GaN heterostructures have been irradiated by neutrons with different fluences and characterized by means of temperature-dependent Hall measurements and Micro-Raman scattering techniques. It is found that the carrier mobility of two-dimensional electron gas （2DEG） is very sensitive to neutrons. At a low fluence of 6.13 × 10^15 cm^-2, the carrier mobility drops sharply, while the sheet carrier density remains the same as that of an unirradiated sample. Moreover, even for a fluence of up to 3.66 × 10^16 cm^-2, the sheet carrier density shows only a slight drop. We attribute the degradation of the figure-of-merit （product of ns×μ ） of 2DEG to the defects induced by neutron irradiation. Raman measurements show that neutron irradiation does not yield obvious change to the strain state of AlGaN/GaN heterostructures, which proves that degradation of sheet carrier density has no relation to strain relaxation in the present study. The increase of the product of ns × μ of 2DEG during rapid thermal annealing processes at relatively high temperature has been attributed to the activation of GeGa transmuted from Ga and the recovery of displaced defects.     

Anticrossing Gap between Pairs of the Subbands in AlxGa1-xN/GaN Double Quantum Wells

Dependences of anticrossing gaps between pairs of subbands in Alx Ga1-xN/GaN double quantum wells （DQWs） on the width and the Al composition of the central barrier of the DQWs and on the well width of the DQWs have been investigated by solving the Schroedinger and Poisson equations self-consistently. It is found that the anticrossing gaps are not influenced by the polarization-induced electric field in the DQWs. The anticrossing gaps decrease with increasing the width and the Al composition of the central barrier of the DQWs, as well as with the increasing well width of the DQWs. According to the results of the calculation, the anticrossing gaps can reach 150 meV in AlxGa1-xN/GaN DQWs. There is significant coupling between the two wells of the DQWs when the width of the central barrier of the DQWs is narrower than 2nm.     

Quantum and transport scattering times in modulation-doped AlxGa1-xN/GaN single quantum wells

Quantum and transport scattering times related to different subbands in modulation-doped Al_0.22Ga_0.78N/GaN single quantum wells (SQW) have been studied by magnetotransport measurements. The quantum scattering time related to the first and the second subbands is determined to be 0.078 ps and 0.088 ps, respectively, at 1.5 K. Results indicate that the scatterings from heterointerface and ionized donors at both side of GaN well are all important in limiting quantum scattering time. By using mobility spectrum technique the transport scattering time related to the first subband is determined to be 0.128 ps. Transport-to-quantum scattering time ratio in the first subband is 1.6. It is concluded the large angle scatterings play a very important role in limiting quantum scattering time in this SQW. PACS 72.20.My; 72.80.Ey; 73.50.Jt     

蓝宝石衬底上GaN/AlxGa1-xN超晶格插入层对AlxGa1-xN外延薄膜应变及缺陷密度的影响

室温300K下,由于Al_xGa_1-xN的带隙宽度可以从GaN的3.42eV到AlN的6.2eV之间变化,所以Al_xGa_1-xN是紫外光探测器和深紫外LED所必需的外延材料.高质量高铝组分Al_xGa_1-xN材料生长的一大困难就是Al_xGa_1-xN与常用的蓝宝石衬底之间大的晶格失配和热失配.因而采用MOCVD在GaN/蓝宝石上生长的Al_xGa_1-xN薄膜由于受张应力作用非常容易发生龟裂.GaN/Al_xGa_1-xN超晶格插入层技术是释放应力和减少Al_xGa_1-xN薄膜中缺陷的有效方法.研究了GaN/Al_xGa_1-xN超晶格插入层对GaN/蓝宝石上Al_xGa_1-xN外延薄膜应变状态和缺陷密度的影响.通过拉曼散射探测声子频率从而得到材料中的残余应力是一种简便常用的方法,Al_xGa_1-xN外延薄膜的应变状态可通过拉曼光谱测量得到.Al_xGa_1-xN外延薄膜的缺陷密度通过测量X射线衍射得到.对于具有相同阱垒厚度的超晶格,例如4nm/4nm,5nm/5nm,8nm/8nm的GaN/Al_0.3Ga_0.7N超晶格,研究发现随着超晶格周期厚度的增加Al_xGa_1-xN外延薄膜缺陷密度降低,Al_xGa_1-xN外延薄膜处于张应变状态,且5nm/5nmGaN/Al_0.3Ga_0.7N超晶格插入层Al_xGa_1-xN外延薄膜的张应变最小.在保持5nm阱宽不变的情况下,将垒宽增大到8nm,即十个周期的5nm/8nmGaN/Al_0.3Ga_0.7N超晶格插入层使Al_xGa_1-xN外延层应变状态由张应变变为压应变.由X射线衍射结果计算了Al_xGa_1-xN外延薄膜的刃型位错和螺型位错密度,结果表明超晶格插入层对螺型位错和刃型位错都有一定的抑制效果.透射电镜图像表明超晶格插入层使位错发生合并、转向或是使位错终止,且5nm/8nmGaN/Al_0.3Ga_0.7N超晶格插入层导致Al_xGa_1-xN外延薄膜中的刃型位错倾斜30°左右,释放一部分压应变.