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。     

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     

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.     

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     

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     

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)。     

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     

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.     

Si调制掺杂AlGaN/GaN异质结磁阻拍频现象

在低温（15K—25K）和强磁场（0—10T）条件下，对二维电子气占据两个子带的Si调制掺杂AlGaN/GaN异质结构进行磁输运测量.在一定温度范围内观察到磁阻拍频现象.根据Sander等人和Raikh等人给出的磁阻振荡的具体表达式，拟合实验结果表明磁阻拍频是由第一子带S dH振荡和磁致子带间散射引起的磁阻振荡导致的. 关键词： AlGaN/GaN异质结构 SdH振荡 磁致子带间散射 磁阻拍频     

1000 V p-GaN混合阳极AlGaN/GaN二极管

GaN材料具有优异的电学特性,如大的禁带宽度(3.4 eV)、高击穿场强(3.3 MV/cm)和高电子迁移率(600 cm~2/(V·s)). AlGaN/GaN异质结由于压电极化和自发极化效应,产生高密度(1×10~(13)cm~(-2))和高迁移率(2000 cm~2/(V·s))的二维电子气(2DEG),在未来的功率系统中, AlGaN/GaN二极管具有极大的应用前景.二极管的开启电压和击穿电压是影响其损耗和功率处理能力的关键参数,本文提出了一种新型的具有高阻盖帽层(high-resistance-cap-layer, HRCL)的p-GaN混合阳极AlGaN/GaN二极管来优化其开启电压和击穿特性.在p-GaN/AlGaN/GaN材料结构基础上,通过自对准的氢等离子体处理技术,在沟道区域形成高阻盖帽层改善电场分布,提高击穿电压,同时在阳极区域保留p-GaN结构,用于耗尽下方的二维电子气,调控开启电压.制备的p-GaN混合阳极(p-GaN HRCL)二极管在阴阳极间距Lac为10μm时,击穿电压大于1 kV,开启电压+1.2 V.实验结果表明, p-GaN混合阳极和高阻GaN盖帽层的引入,有效改善AlGaN/GaN肖特基势垒二极管电学性能.     

p型GaN/Al0.35Ga0.65N/GaN应变量子阱中二维空穴气的研究

对Ga面p型GaN/Al_0.35Ga_0.65N/GaN应变异质结构中形成的二维空穴气(2DHG)进行了研究.首先基于半导体-绝缘体-半导体异质结构模型确定了应变异质中的临界厚度，然后自洽求解薛定谔方程和泊松方程，计算了当中间势垒层AlGaN处于完全应变状态和半应变状态两种条件下，顶层GaN及中间层AlGaN厚度的变化对2DHG分布的影响.计算结果表明，势垒层AlGaN和顶层GaN的应变状态和厚度对极化引起的2DHG面密度及分布有重要影响.在此基础上制备了p型GaN/Al_0.35Ga_0.65N/GaN应变量子阱结构肖特基器件，并通过器件的C-V测试证实了异质结处2DHG的存在.器件响应光谱的测试结果表明，由于p型GaN/Al_0.35Ga_0.65N/GaN量子阱中强烈的极化作用和Stark效应使得器件零偏压和反向偏压时的响应光谱都向短波方向移动了10 nm，在零偏压下器件在280 nm处的峰值响应为0.022 A/W，在反向偏压为1 V时，峰值响应达到0.19 A/W，已经接近理论值. 关键词： AlGaN 二维空穴气 极化效应     

InGaN插入层对AlGaN/GaN界面电子散射的影响

本文研究InGaN作为AlGaN/GaN插入层引起的电子输运性质的变化,考虑了AlGaN和InGaN势垒层的自发极化与压电极化对Al_xGa_(1–x)N/In_yGa_(1–y)N/GaN双异质结高电子迁移率晶体管中极化电荷面密度、二维电子气(2DEG)浓度的影响,理论分析了不同In摩尔组分下, InGaN厚度与界面粗糙度散射、随机偶极散射和极性光学声子散射之间的关系.计算结果表明:界面粗糙度散射和随机偶极散射对双异质结Al_xGa_(1–x)N/In_yGa_(1–y)N/GaN的电子输运性质有重要影响,极性光学声子散射对其影响最弱; 2DEG浓度、界面粗糙度散射、随机偶极散射和极性光学声子散射的强弱由InGaN势垒层厚度和In摩尔组分共同决定.     

Ⅳ-Ⅵ族化合物半导体异质结二维电子气研究进展

半导体异质结在探索新奇物理和发展器件应用等方面一直发挥着不可替代的作用.得益于其特有的能带性质,相对较窄的带隙和足够大的自旋轨道耦合相互作用,Ⅳ-Ⅵ族化合物半导体异质结不仅在红外器件应用方面具有重要的研究价值,而且在拓扑绝缘体和自旋电子学等前沿领域引起了广泛的关注.尤为重要的是,在以CdTe/PbTe为代表的Ⅳ-Ⅵ族化合物半导体异质结界面上发现了高浓度、高迁移率的二维电子气.该电子气的形成归因于Ⅳ-Ⅵ族化合物半导体异质结独特的扭转界面.进一步的研究表明,该二维电子气体系不仅对红外辐射有明显响应,而且它还表现出狄拉克费米子的性质.本文系统综述了近年来Ⅳ-Ⅵ族化合物半导体异质结二维电子气研究取得的主要进展.首先对Ⅳ-Ⅵ族化合物半导体异质结扭转界面二维电子气的形成机理进行了介绍;然后讨论该二维电子气在低温强磁场下的输运性质,并分析了它的拓扑性质以及在自旋器件方面的应用前景;最后,展示了基于该二维电子气研制的中红外光电探测器.     

使用AlN/GaN超晶格势垒层生长高Al组分AlGaN/GaN HEMT结构

在蓝宝石衬底上生长了以AlN/GaN超晶格准AlGaN合金作为势垒的HEMT结构材料,并与传统AlGaN合金势垒样品进行了对比.在高Al组分(≥40%)情况下,超晶格势垒样品的表面形貌明显改进,电学性能特别是2DEG面电子浓度也有所改进.对超晶格势垒生长参数进行了初步优化,使得HEMT结构薄层电阻进一步降低,最后获得了251 Ω/□的薄层电阻. 关键词： AlGaN/GaN 结构 AlN/GaN超晶格 二维电子气 高电子迁移率晶体管     

基于GaN同质衬底的高迁移率AlGaN/GaNHEMT材料

研究了表面预处理对GaN同质外延的影响,获得了高电子迁移率AlGaN/GaN异质结材料.通过NH_3/H_2混合气体与H_2交替通入反应室的方法对GaN模板和GaN半绝缘衬底进行高温预处理.研究结果表明,NH_3/H_2能够抑制GaN的分解,避免粗糙表面,但不利于去除表面的杂质,黄光带峰相对强度较高;H_2促进GaN分解,随时间延长GaN分解加剧,导致模板表面粗糙不平,AlGaN/GaN HEMT材料二维电子气迁移率降低.采用NH_3/H_2混合气体与H_2交替气氛模式处理模板或衬底表面,能够清洁表面,去除表面杂质,获得平滑的生长表面和外延材料表面,有利于提高AlGaN/GaN HEMT材料电学性能.在GaN衬底上外延AlGaN/GaN HEMT材料,2DEG迁移率达到2113 cm~2/V·s,电学性能良好.     

生物分子膜门电极AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)生物传感器研究

设计并制作了结构尺寸为毫米量级的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)生物传感器,采用数值分析的方法分析了器件传感区域长度与宽度比值及待测物调控二维电子气(2DEG)距离与感测信号之间的关系,给出了结构尺寸为毫米量级的AlGaN/GaN HEMT生物传感器的设计依据,以不同浓度的前列腺特异性抗原(PSA)为待测物,对制作的AlGaN/GaN HEMT生物传感器进行了初步测量,测试结果表明,在50 mV的电压下,毫米量级的AlGaN/GaN HEMT生物传感器的对PSA的探测极限低于0.1 pg/ml.实验表明毫米量级的AlGaN/GaN HEMT生物传感器具有灵敏度高,易于集成等优点,具备良好的应用前景.     

AlGaN/GaN异质结载流子面密度测量的比较与分析

对MOCVD技术在蓝宝石衬底上生长的不同Al组分AlGaN/GaN异质结进行了范德堡法Hall测量和电容-电压(C-V)测量，发现Hall测量载流子面密度值大于C-V测量值，并且随着AlGaN层Al组分的增加，两种测量值都在增加，同时它们的差值也在增加.认为产生这一结果的原因有两方面.一方面，Ni/Au肖特基金属淀积在AlGaN/GaN异质结上，改变了AlGaN势垒层的表面状态，使得一部分二维电子气(2DEG)电子被抽取到空的施主表面态中，从而减小了AlGaN/GaN异质结界面势阱中的2DEG浓度.随着势垒层Al组分的增加，AlGaN层产生了更多的表面态，从而使得更多的电子被抽取到了空的表面态中.另一方面，由于C-V测量本身精确度受到串联电阻的影响，使得测量电容小于实际电容，从而低估了载流子浓度.     

p型GaN/Al0.35Ga0.65N/GaN应变量子阱中二维空穴气的研究

对Ga面p型GaN/Al0.35Ga0.65N/GaN应变异质结构中形成的二维空穴气(2DHG)进行了研究.首先基于半导体-绝缘体-半导体异质结构模型确定了应变异质中的临界厚度,然后自洽求解薛定谔方程和泊松方程,计算了当中间势垒层AlGaN处于完全应变状态和半应变状态两种条件下,顶层GaN及中间层AlGaN厚度的变化对2DHG分布的影响.计算结果表明,势垒层AlGaN和顶层GaN的应变状态和厚度对极化引起的2DHG面密度及分布有重要影响.在此基础上制备了p型GaN/Al0.35 Ga0.65N/GaN应变量子阱结构肖特基器件,并通过器件的C-V测试证实了异质结处2DHG的存在.器件响应光谱的测试结果表明,由于p型GaN/Al0.35Ga0.65N/GaN量子阱中强烈的极化作用和Stark效应使得器件零偏压和反向偏压时的响应光谱都向短波方向移动了10 nm,在零偏压下器件在280 nm处的峰值响应为0.022 A/W,在反向偏压为1 V时,峰值响应达到0.19 A/W,已经接近理论值.