AlGaNGaN中二維電子氣的研究進展課件

AlGaN/GaN中二維電子氣的研究進展2011.06.24CompanyLogoAlGaN/GaN中二維電子氣的研究進展研究背景1AlGaN/GaNHEMT二維電子氣23總結(jié)4新型GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)二維電子氣研究進展1研究背景CompanyLogo發(fā)光二極管VCDCompanyLogo普通的室內(nèi)外LED照明：

400-410nm1研究背景海底半導體激光器(LD)1研究背景CompanyLogo光盤：高密度數(shù)據(jù)存儲激光打印機1研究背景在半導體工業(yè)中,人們習慣以為第一代半導體材料：以鍺(Ge)、硅(Si)為代表元素半導體材料第二代半導體材料：以砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)為代表的化合物半導體材料第三代半導體材料：以氮化鎵(GaN)、碳化硅(SiC)、氧化鋅（ZnO）為代表的半導體材料CompanyLogoCompanyLogo1研究背景表幾種半導材料的參數(shù)對照表

1研究背景CompanyLogo圖電子漂移速度與電場強度的關(guān)系1研究背景CompanyLogo圖幾種半導體的適用工作范圍1研究背景近年來，GaN基電學器件的研制受到越來越多的關(guān)注。

GaN材料具有：寬帶隙(3.4

eV)高擊穿電壓(3×106V/cm)高電子遷移率(室溫1000cm2／W·s)高的電子飽和漂移速度（2.5×107cm/s）高溫熱穩(wěn)定性（1000℃）高異質(zhì)結(jié)面電荷密度(1×1013/cm3)

CompanyLogo1研究背景基于GaN基的AlGaN/GaNHEMT器件是發(fā)展最快的器件；它具有輸出功率密度大、耐高溫、抗輻射等特點，能滿足下一代電子裝備對微波功率器件更大功率、更高頻率、更小體積和更惡劣條件高溫度下工作的要求；

被認為在1-50GHz頻率范圍具有很大應用潛力，其研究工作在近年來受到廣泛關(guān)注。CompanyLogoCompanyLogoAlGaN/GaN中二維電子氣研究進展研究背景1AlGaN/GaNHEMT二維電子氣23總結(jié)4新型GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)二維電子氣研究進展2.1AlGaN/GaNHEMTCompanyLogoAlGaN/GaN高電子遷移率晶體管(AlGaN/GaNhighelectronmobilitytransistors)，也稱作異質(zhì)結(jié)場效應晶體管HFETs（heterostructurefieldeffecttransistors）或調(diào)制摻雜場效應晶體管MODFETs(modulationdopedfieldeffecttransistors)，是以AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)材料為基礎(chǔ)而制造的GaN基器件。2.1AlGaN/GaNHEMTCompanyLogo圖簡化的AlGaN/GaNHEMT結(jié)構(gòu)2.2AlGaN/GaNHEMT二維電子氣

AlGaN/GaNHEMT最為獨特的地方是其具有高濃度的二維電子氣(2DEG)。

典型的AlGaN／GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其AlGaN勢壘層中壓電極化強度為傳統(tǒng)AlGaAs／GaAs異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的5倍之多，感生的壓電場強達2MV／cm。如此強的極化效應以及AlGaN／GaN界面大的導帶偏移，在GaN層形成一個很深的量子阱，即使不摻雜，也可感生高達～1012cm-2濃度的二維電子氣。CompanyLogo2.2AlGaN/GaNHEMT二維電子氣

二維電子氣(2DEG)的來源：基于強極化誘導作用和巨大能帶偏移，Ⅲ族氮化物異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面可形成一強量子局域化的高濃度二維電子氣系統(tǒng)，成為至今能提供最高二維電子氣濃度的半導體材料體系。

CompanyLogo2.2AlGaN/GaNHEMT二維電子氣CompanyLogo圖

A1GaN／GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中自發(fā)極化和壓電極化的方向以及界面極化電荷2.3二維電子氣濃度

AlGaN／GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中二維電子氣濃度是決定HEMT器件性能的重要指標

影響它的主要因素：Al組分--決定二維電子氣濃度大小的最主要因素AlGaN勢壘層的厚度--影響二維電子氣的一個重要因素勢壘層摻雜--可以提高二維電子氣濃度CompanyLogoCompanyLogo圖2DEG密度與AlxGa1-xN合金Al組分的關(guān)系2.3二維電子氣濃度

2.3二維電子氣濃度

CompanyLogo圖2DEG與AlGaN/GaN結(jié)構(gòu)AlGaN勢壘層厚度的關(guān)系2.3二維電子氣濃度CompanyLogo圖

不同勢壘層摻雜時二維電子氣峰值濃度與GaN中摻雜濃度的關(guān)系2.4二維電子氣遷移率2DEG電子遷移率是AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)，其大小直接影響到AlGaN/GaNHEMT的頻率和功率特性。CompanyLogo2.4二維電子氣遷移率影響AlGaN／GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中載流子遷移率的散射機制主要包括：合金無序散射離化雜質(zhì)散射界面粗糙度散射聲學聲子散射以及極化光學聲子散射CompanyLogo2.4二維電子氣遷移率CompanyLogo圖A1GaN／GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中載流子遷移率隨A1組分的變化關(guān)系2.4二維電子氣遷移率CompanyLogo圖A1GaN／GaN中載流子遷移率隨勢壘層厚度的變化關(guān)系2.4二維電子氣遷移率CompanyLogo圖AIGaN／(AIN)／GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中各種散射機制及遷移率與溫度的關(guān)系2.4二維電子氣遷移率二維電子氣濃度和遷移率二者乘積的大小決定了器件的工作性能，所以為了改善AlGaN/GaNHEMTs的性能,必須提高2DEG面密度和遷移率的乘積。然而，不可避免的是，提高二維電子氣濃度常常導致載流子遷移率的降低。所以，實際工作中必須權(quán)衡而這之間的關(guān)系。CompanyLogoCompanyLogoAlGaN/GaN中二維電子氣研究進展研究背景1AlGaN/GaNHEMT二維電子氣23總結(jié)4新型GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)二維電子氣研究進展3新型GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)二維電子氣研究進展近年來，隨著研究的深入和器件的發(fā)展，基于極化能帶工程設(shè)計，人們又不斷提出一些新型GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)，主要有以下幾種結(jié)構(gòu)：雙溝導A1GaN／GaN／A1GaN雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)A1N／GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)A1GaN／A1N／GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)應變調(diào)制A1GaN／GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)AlGaN／InGaN／GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)CompanyLogo3.1雙溝導A1GaN／GaN／A1GaN雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)CompanyLogo圖

雙溝導AlGN／GaN／A1GN異質(zhì)結(jié)構(gòu)3.1雙溝導A1GaN／GaN／A1GaN雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)體系中另一較為常見的是A1GaN／GaN／A1GaN雙異質(zhì)結(jié)構(gòu).與單異質(zhì)結(jié)構(gòu)相比，它具有雙倍的電流傳輸能力，有利于制作高功率器件。AlGaN／GaN／A1GaN雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的GaN量子阱具有更強的極化場。實驗表明：它具有較高的載流子遷移率，適合微波功率或通信器件的應用。CompanyLogo3.2A1N／GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)由于A1N的禁帶寬度為6．2eV，近似為絕緣體，基于A1N／GaN的器件稱為金屬一絕緣體一半導體(MIS)結(jié)構(gòu)。CompanyLogo3.2A1N／GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)CompanyLogo圖

AIo.2Gao.8eN／GaN和A1N／GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的二維電子氣分布3.2A1N／GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)然而由于GaN和AlN界面處存在大的晶格失配，應變A1N勢壘層的臨界厚度很薄，導致其中線位錯密度較高，且易發(fā)生弛豫.盡管如此，AlN／GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)在高頻微波器件，高溫大功率電子器件中仍有重要潛在應用。CompanyLogo3.3A1GaN／A1N／GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)CompanyLogoAlGaN／AlN／GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)是在A1GaN和GaN兩層之間插入一層薄，A1N隔離層在HEMT器件應用方面具有更強的吸引力。3.3A1GaN／A1N／GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)CompanyLogo圖

插入A1N隔離層AlGaN／AlN

GaN(實線)和傳統(tǒng)A1GaN／GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)(虛線)中的載流子遷移率隨濃度的變化關(guān)系CompanyLogoAlGaN/GaN中二維電子氣研究進展研究背景1AlGaN/GaNHEMT二