Ⅲ族氮化物异质结构二维电子气研究进展

本文总结了近年来Ⅲ族氮化物半导体异质结构二维电子气的研究进展。从Ⅲ族氮化物材料晶格结构和特有的极化性质出发,重点讨论了AlGaN/GaN异质结构中二维电子气的性质,总结分析了异质结构中Al组分、势垒层厚度、应变弛豫度、掺杂等对二维电子气浓度和迁移率的影响,同时还涉及AlGaN/GaN/AlGaN,AlGaN/AlN/GaN和AlGaN/InGaN/GaN等异质结构二维电子气性质。     

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.     

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     

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     

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     

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.     

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)。     

过渡金属氧化物界面二维电子气及其超导电性研究

过渡金属氧化物异质界面形成的二维电子气(2DEG)因其丰富的物理性质而备受研究人员关注,其中最具代表性的是能带绝缘体LaAlO₃和SrTiO₃形成的界面.此界面高迁移率的2DEG展现出超导电性、铁磁性、超导和铁磁共存等性质,其他过渡金属氧化物界面系统也显示出高迁移率和类似的新奇量子现象.本文主要介绍过渡金属氧化物异质界面2DEG的超导电性及其研究进展,并着重展示近年来北京师范大学在本领域取得的研究成果.     

二维电子气的关联函数

本文在少粒子体系波函数数值解的基础上讨论了强磁场中二维电子气的二体关联函数.在数值计算的意义上给出了有限集团体系二体关联函数的计算公式. 关键词：     

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     

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.     

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．     

周期磁场调制下的二维电子结构

基于有限差分方法,研究周期梯度磁场调制下二维电子气的电子性质.结果表明:由于周期梯度磁场的存在,体系展现出丰富的电子能带结构.其子带的宽度随|k_y|增大而不断变窄,|k_y|越大势阱越深;由于在k_y > 0和k_y < 0两个区域的有效势能不一样,其能带结构在两个区域不一致且在k_y > 0的区域中形成更多束缚态.通过改变磁条周期、磁条到2DEG的距离及磁化强度研究其对电子能带结构的影响.     

用于Ⅲ族氮化物生长的紧配合喷淋头反应器

在紫外和可见光电子器件、高温电子学器件、冷阴极和太阳防护探测器的应用中,Ⅲ族氮化物是一类重要的材料.近年来,氮化物基的LED的制备成功,具有提供白光照明代替白炽灯和荧光灯的潜在能力.人们对用MOCVD方法生长GaN基材料的兴趣日益高涨,特别是对多片、均匀生长的大尺寸反应器的要求日益迫切.本文概述了紧配合喷淋头反应器的设计思想和其特性.结合Ⅲ族氮化物生长对设备的相关要求,给出了这种设备运行的一些结果.这些结果表明,这种紧配合喷淋头反应器很适合在研究和产品生产中的GaN基材料结构的生长.     

AlxGa1-xN/GaN异质结二维电子气磁输运性质研究

在1.5K低温和0～9T的高磁场下研究了AlGaG/GaN异质结二维电子气的磁输运性质.实验结果在4块样品中都观察到了Shubnikov-da HaSS振荡的双周期行为.表明异质结的三角势阱中有两个子带被电子占据.通过电子子带占据时电子浓度分配的线形行为得到第二子带被占据的阈值浓度为7.2×1012cm-2.通过对不同样品量子散射时间和输运迁移率的研究,说明在1.5K下远程离化施主散射在量子散射时间中起主要作用.     

二维光催化材料的电子结构调控与应用研究进展(特邀)

首先综述了基于二维光催化剂的电子结构调控方式,包括厚度调节、元素掺杂、缺陷工程和异质结的设计等.其次,由于半导体异质结在减少光生电子空穴复合速度方面具有独特的优势,着重介绍了由二维材料与其它不同维数的半导体界面组成的异质结的研究进展.最后介绍了新型二维光催化材料在析氢、CO2还原、固氮和污染物降解等方面的应用.总结文献...     

高Al组分Ⅲ族氮化物结构材料及其在深紫外LED应用的进展

随着高 Ga 组分Ⅲ族氮化物相关研究的日趋深入和生长技术的日益成熟,人们逐渐将研究重心转向具有更宽带隙的高 Al 组分Ⅲ族氮化物.该材料常温下带隙宽至6.2 eV,可覆盖短至210 nm 的深紫外波长范围,具有耐高温、抗辐射、波长易调控等独特优点,因而是制备紫外发光器件的理想材料.目前,高 Al 组分Ⅲ族氮化物材料质量不高,所制备的深紫外 LED 发光器件仍存在内量子效率、载流子注入效率和沿 c 轴方向正面出光效率较低的难题,因而制约了高效紫外发光器件的制备.本文着重介绍了近年来在高 Al 组分Ⅲ族氮化物生长动力学方面的研究进展,总结和梳理了量子结构设计、内电场调控以及晶体场调控等方面的相关研究,以期实现高质量深紫外 LED 的制备.     

p-GaN/p-AlxGa1-xN异质结界面处二维空穴气的性质及其对欧姆接触的影响

通过自洽求解一维泊松方程和薛定谔方程,得到了p-GaN/p-Al_xGa_1-xN异质结界面处的价带结构和二维空穴气（2DHG）分布,研究了A1组分和压电极化效应对界面处2DHG性质的影响,给出了异质界面处2DHG的面密度、浓度分布以及价带结构.实验结果表明:随着Al组分的增加,异质结界面处势阱明显加深变窄,这使得2DHG的峰值密度加速上升,也使得面空穴密度近直线上升;压电极化效应也明显使界面处势阱加深变窄,并且使费米能级向势垒顶端移动,峰值浓度的位置向界面处移动;另外,价带带阶高度和受主杂质浓度对2DHG的影响较小.利用这层2DHG制作的p-Al_xGa_1-xN的欧姆接触,电流电压特性明显好于直接制作的电极,说明了2DHG可以显著改善p-Al_xGa_1-xN的欧姆接触性能.     

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.     

用大面积立式旋转盘MOVPE反应器生长Ⅲ族氮化物材料

为了降低Ⅲ族氮化物材料和器件的成本,必须开发大尺寸的Ⅲ族氮化物MOVPE生长的反应器.本文报道了EMCORE公司的一种带有旋转盘的立式反应器,其中的衬底片载盘直径为325mm.每次沉积过程中,载盘上可以放置21片2英寸直径的衬底片.反应器的内壁通过水冷,其温度可保持在50～60℃之间.衬底片可用电热丝加热,沉积中衬底载盘的旋转速度可达1 000～1 500rpm.本文给出了用这种325mm GaN生长系统生长的未掺杂GaN,InGaN和p-GaN外延层的相关结果.这些结果表明,这种旋转盘的反应器是一种很适合大尺寸载盘的系统,完全满足Ⅲ族氮化物材料体系生长的要求.与在小反应器中生长的材料相比,用这种大反应器生长的材料具有相同的质量.这种325mm的GaN反应器将使制备蓝光和绿光LED所用的Ⅲ族氮化外延材料的生产成本得到显著的降低.