（微电子学与固体电子学专业论文）alganaingan异质结肖特基接触特性研究.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：莹竺茎 日期：竺1 2 ：! 箩 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：、萤盛导师签名： 山东大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t 一i i i 主要符号表v 第一章绪论1 1 1g a n 基材料概述。1 1 1 1g a n 基本性质1 1 1 2a 1 g a n g a n 异质结材料的极化特性3 1 2 课题研究的背景和意义6 1 3 本文的研究内容与安排9 参考文献1 0 第二章器件的制备与测试1 3 2 1a l g a n a 1 n g a n 异质结构材料的生长1 3 2 1 1 衬底材料的选取1 3 2 1 2m o c v d 生长技术1 4 2 2a l g a n a l n g a n 异质结构器件的制备过程1 5 2 2 1 版图的设计。1 5 2 2 2 器件制备工艺流程17 2 3a l g a n a l n g a n 异质结构材料与器件的测试1 7 参考文献2 1 第三章a l g a n a 1 n g a n 肖特基势垒二极管2 d e g 电子迁移率研究2 2 3 1a l g a n a l n g a n 肖特基势垒二极管肖特基接触下串联电阻提取方法的研 究：! ：1 3 1 1 功耗法计算方法的推导2 2 3 1 2 功耗法有效性的证明2 4 3 2 利用功耗法研究肖特基势垒二极管2 d e g 电子迁移率2 8 参考文献31 第四章肖特基漏a l g a n a l n g a nh f e ta 1 g a n 势垒层应变研究3 2 山东大学硕士学位论文 4 1 肖特基漏舢g a n 脚n g a nh f e t 的栅源间c v 特性研究3 2 4 2 肖特基漏砧q l n 脚n g a nh f e t 串联电阻分析3 5 4 3 肖特基漏a l g a n a l n g a nh f e t 的2 d e g 电子迁移率3 7 参考文献4 2 第五章舢g 心淞l n g a n 异质结界面陷阱态研究4 3 5 1 缺陷及陷阱电荷的基本概念4 3 5 2a l g a n a l n g a n 异质结构等效模型4 5 5 3a l g a n a l n g a n 异质结界面陷阱态研究4 7 参考文献5 2 第六章结论5 3 致谢5 5 攻读硕士学位期间发表的学术论文目录5 6 p a p e r1 ! ；7 山东大学硕士学位论文 c o n t e n t s a b s t r a c t ( c n ) i a b s t r a c t ( e n ) i i i l i s to fs y m b o l s v c h a p t e r1 i n t r o d u c t i o n 1 1 1 s u m m a r yo fg a n b a s e dm a t e r i a l s 1 1 1 1b a s i cp r o p e r t i e so f g a n 一1 1 1 2 p o l a r i z a t i o n si na 1 g a n g a nh e t e r o s t m c t u r e s 2 1 2 b a c k g r o u n da n do b j e c to f t h er e s e a r c h 6 1 3 s y n o p s i so f d i s s e r t a t i o n 9 r e f e r e n c e s 1 ( ) c h a p t e r2p r e p a r a t i o na n dt e s t i n go fd e v e i c e s 13 2 1g r o w t ho f a l g a n a l n g a nh e t e r o s t r u c t u r em a t e r i a l s 13 2 1 1s e l e c to fs u b s t r a t e s 13 2 1 2m o c v d t e c n o l o g y 1 4 2 2d e v i c ep r o c e s s i n go f a l g a n a l n g a nh e t e r o s t r u c t u r ed e v i c e s 15 2 2 1 d e s i g no f t h el a y o u t 1 5 2 2 2p r o c e s so f t h ed e v i c ep r e p a r a t i o n 1 7 2 3 t e s t i n go f a l g a n a l n g a nh e t e r o s t r u c t u r ed e v i c e s 17 r e f e r e n c e s 2 1 c h a p t e r3 t h e2 d e ge l e c t r o nm o b i l i 够i na 1 g a n a i n g a ns b d s 2 2 3 1c a l c u l a t i o no ft h es e r i e sr e s i s t a n c eu n d e r s c h o r k y c o n t a c t si n 。l g a n a 1 n g a ns b d s 2 2 3 1 1d e r i v a t i o no f t h ep o w e rc o n s u m p t i o nm e t h o d 2 2 3 1 2d e m o n s t r a t i o no f t h ep o w e rc o n s u m p t i o nm e t h o d 2 4 3 2 c a l c u l a t i o no ft h e2 d e ge l e c t r o nm o b i l i t yi ns b d sw i t ht h ep o w e r c o n s u m p t i o nm e t h o d 2 8 r e f e r e n c e s 。31 山东大学硕士学位论文 c h a p t e r4 s u a mi na i g a nl a y e ro fs c h o t t k yd r a i na 1 g a n a 1 n g a nh f e t s 3 2 4 1c vc u r v e sb e t w e e ng a t ec o n t a c t sa n ds o u r c ec o n t a c t so fs c h o t t k yd r a i n a 1 g a n a 1 n g a nh f e t s 3 2 4 2s e r i e sr e s i s t a n c ei ns c h o t t k yd r a i na 1 g a n a i n g a nh f e t s 3 5 4 3t h e2 d e ge l e c t r o nm o b i l i t yi ns c h o t t l gd r a i na 1 g a n a 1 n g a nh f e t s 3 7 r e f e r e n c e s 4 2 c h a p t e r5 i n t e r f a c et r a p si na 1 g a n a i n g a nh e t e r o s t r u c t u r e s 4 3 5 1d e f e c t sa n dt r a p p e dc h a r g e s 4 3 5 2 e q u i v a l e n tm o d e lo f a l g a n a i n g a nh e t e r o s t r u c t u r e s 4 5 5 3r e s e a r c ho f i n t e r f a c et r a p si na 1 g a n a 1 n g a nh e t e r o s t r u c t u r e s 4 7 r e f e r e n c e s 5 2 c h a p t e r6 c o n c l u s i o n s 5 3 a c k n o w l e d g e m e n t s 5 5 l i s to f p a p e r s 5 6 p a p e r1 5 7 山东大学硕士学位论文 摘要 作为第三代宽禁带半导体材料的典型代表，g a n 基材料由于具有禁带宽度 大、击穿电场强、饱和电子漂移速度大及化学性质稳定等特点，在高温、高压、 微波、大功率器件领域具有广阔的应用前景。其中，a 1 g a n g a n 异质结场效应 晶体管( h f e t ) 是新型的微波功率器件，与传统微波器件相比，具有高跨导、 高击穿电压、高截止频率等优良特性，将是下一代无线通信系统功率放大器的核 心元件。 自1 9 9 3 年世界上第一支a 1 g a n g a nh f e t 问世以来，对于a 1 g a n g a n h f e t 的研究已经获得了长足的进步。目前最新型的a i g a n g a nh f e t 在 a 1 g a n g a n 异质界面处有一层薄的a 1 n 插层。a l n 插层可以抑制三角形势阱内 的二维电子气( 2 d e g ) 向a 1 g a n 势垒层扩散，以及减少2 d e g 传输过程中受到 的合金散射。然而a 1 g a n g a nh f e t 器件仍然存在着一些未解决的问题，例如 高频条件下器件出现的电流崩塌效应，器件在高温环境下工作的可靠性问题等。 这些问题阻碍了a i g a n g a nh f e t 功率器件的大规模商用进程。本论文正是以 这些问题为出发点，进行了如下几方面的研究： 1 a i g a n a i n g a n 肖特基势垒二极管( s b d ) 2 d e g 电子迁移率研究。提 出了一种计算a l g a n a l n g a n 肖特基势垒二极管肖特基接触下串联电阻的方法 功耗法，并证明了这种方法的有效性。根据功耗法，利用实验测得的电流电压 ( i v ) 曲线和电容电压( c v ) 曲线计算了a l g a n a l n g a n 肖特基势垒二极管 肖特基接触下串联电阻及2 d e g 电子迁移率。计算结果表明，肖特基接触下串联 电阻是肖特基势垒二极管总电阻的重要组成部分，是不能忽略不计的。 2 肖特基漏a l g a n a l n g a nh f e ta 1 g a n 势垒层应变研究。在 a 1 g a n a l n g a n 异质结材料上制备了一系列栅极接触面积不同的肖特基漏 h f e t s ，以及对应的相同尺寸的传统h f e t s 作为对照。我们根据功耗法计算了 肖特基漏a l g a n a l n g a nh f e t s 漏端串联电阻及栅漏间沟道2 d e g 电子迁移 率，并与对照组的计算结果作比较。结果表明，与传统a l g a n a l n g a nh f e t s 相比，肖特基漏a l g a n a l n g a nh f e t s 具有更小的漏端串联电阻，更高的栅漏 山东大学硕士学位论文 间沟道2 d e g 电子迁移率。其原因在于当高温快速退火使欧姆接触形成时，金属 原子会发生明显的横向扩散，大量的金属原子进入a i g a n 势垒层，导致栅漏间 a 1 g a n 层的应变不均匀，产生很强的极化梯度库仑场散射。肖特基漏 础g a n a l n l nh f e t s 漏端接触的形成未经过退火，没有发生金属原子的横向 扩散。与欧姆接触相比对栅漏间a 1 g a n 势垒层应变影响程度降低，器件栅漏间 的极化梯度库仑场散射随之降低。 3 舢g a n a l n g a n 异质结界面陷阱态研究。根据舢g a n a l n g a n 异质结材 料的等效物理模型，结合测得的电流电压曲线、电容电压曲线及电导电压 ( g v ) 曲线，计算了不同欧姆接触电阻率的a l g a n 胤n g a n 异质结材料器件 的界面陷阱态密度、时间常数及陷阱态能级等表征界面陷阱态信息的参数。研究 结果表明，欧姆接触退火导致的金属原子扩散是影响界面陷阱态密度、时间常数 及陷阱态能级等参数的重要因素。 关键词：a l g a n a n w g a nh f e t ，二维电子气，肖特基接触，功耗法，极化梯度 库仑场散射，界面陷阱态 i i 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t a so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tm e m b e r so ft h e3 一g e n e r a t i o ns e m i c o n d u c t o r s ， g a n b a s e dm a t e r i a l sa r ep r o m i s i n gc a n d i d a t e si nh i g ht e m p e r a t u r e ，h i 曲v o l t a g e ， m i c r o w a v e ，a n dh i g hp o w e ra p p l i c a t i o n sd u et ot h e i rw i d eb a n dg a p ，h i 曲b r e a k d o w n e l e c t r i cf i e l d ，h i g he l e c t r o ns a t u r a t e dv e l o c i t ya n de x c e l l e n tc h e m i c a ls t a b i l i t y a m o n g t h e ma 1 g a n g a nh e t e r o s t r u c t u r ef i e l de f f e c tt r a n s i s t o r s ( h f e t ) i san e wm i c r o w a v e p o w e rd e v i c e ，a n di tw i l lp l a yt h em o s ti m p o r t a n tp a r ti nt h en e x tg e n e r a t i o nw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o np o w e ra m p l i f i e r sb e c a u s eo fi t 7 sh i g ht r a n s c o n d u c t a n c e ，h i g h b r e a k d o w nv o l t a g ea n dh i g hc u t o f f 仔e q u e n c yc o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lm i c r o w a v e d e v i c e s w eh a v em a d ep r o g r e s si nt h er e s e a r c ho ft h ea 1 g a n g a nh f e ts i n c et h ef i r s t a i g a n g a nh f e th a sb e e nm a d ei n19 9 3 n o w a d a y s ，s t a t e o f - t h e a r ta 1 g a n g a n h f e t sh a v et h es t r u c t u r e sw i t hat h i na l ni n t e r l a y e ra d d e dt ot h ea 1 g a n a i n i n t e r f a c e t h ei n s e r t i o no fat h i na 1 nb a r r i e ri n t e r l a y e rc a np r e v e n tt h ed i f f u s i o no ft h e t w o d i m e n s i o n a lg a s ( 2 d e g ) i nt h et r i a n g u l a rq u a n t u mw e l lt o w a r d sa 1 g a nb a r r i e r l a y e ra n dr e d u c et h ea l l o ys c a r e r i n gt h a ti n f l u e n c e dt h e2 d e gt r a n s p o r tp e r f o r m a n c e h o w e v e r , t h e r ea les t i l ls o m eu n s o l v e dp r o b l e m sf o ra 1 g a n g a nh f e t ss u c ha st h e c u r r e n tc o l l a p s ee f f e c ta th i g hf r e q u e n c y , t h ed e g e n e r a t i o no fr e l i a b i l i t ya th i g h t e m p e r a t u r ee r e t h e s ep r o b l e m sh a v es t o p p e da 1 g a n g a nh f e td e v i c e sf r o ma l a r g e - s c a l ea p p l i c a t i o n t a k i n gi n t oc o n s i d e r a t i o nt h e s ep r o b l e m s ，w ed i dr e s e a r c ho n s o m ea s p e c t sa sf o l l o w s 1 r e s e a r c ho nt h e2 d e ge l e c t r o nm o b i l i t yo fa i g a n a 1 n g a ns b d s w er a i s e d t h ep o w e rc o n s u m p t i o nm e t h o dt oc a l c u l a t et h es e r i e sr e s i s t a n c eu n d e rt h es c h o t t k y c o n t a c to fa 1 g a n a 1 n g a ns b d s ，a n dd e m o n s t r a t e dt h ev a l i d i t yo ft h i sm e a t h o d u s i n gt h em e a s u r e di vc u r v e sa n dc - vc u r v e s t h es e r i e sr e s i s t a n c eu n d e rt h e s c h o t t k yc o n t a c ta n dt h e2 d e ge l e c t r o nm o b i l i t yw a so b t a i n e dw i t ht h ep o w e r c o n s u m p t i o nm e t h o d t h er e s u l t ss h o w e dt h es e r i e sr e s i s t a n c eu n d e rt h es c h o t t k y i i i 山东大学硕士学位论文 c o n t a c ti sa ni m p o r t a n tp a r to f t h ew h o l es b dr e s i s t a n c e ，a n dc a nn o tb en e g l e c t e d 2 r e s e a r c ho nt h es t r a i no fa 1 g a nl a y e ro fs c h o t t k yd r a i na 1 g a n a i n g a n h f e t s s c h o t t k yd r a i na i g a n a 1 n g a nh f e t s 、析t l ld i f f e r e n tg a t ec o n t a c ta r e a sa n d c o n v e n t i o n a la 1 g a n a 1 n g a nh f e t sw i t ht h es a m ea r e a sa sc o n t r o lg r o u ph a v e b e e nf o r m e do nt h ea 1 g a n a l n g a nh e t e r o s t r u c t u r e t h ed r a i ns e r i e sr e s i s t a n c ea n d t h e2 d e ge l e c t r o nm o b i l i t yi nt h ec h a n n e lb e t w e e nt h eg a t ea n dd r a i nw e r ec a l c u l a t e d w i t l lt h ep o w e rc o n s u m p t i o nm e t h o da n dc o m p a r e d 、析mt h ec o n t r o lg r o u p t h e r e s u l t ss h o w e dt h a ts c h o t t k yd r a i na i g a n a 1 n g a nh f e t sh a v es m a l l e rd r a i ns e r i e s r e s i s t a n c e ，h i g h e r2 d e ge l e c t r o nm o b i l i t yi nt h ec h a n n e lb e t w e e ng a t ea n dd r a i n t h e r e a s o ni st h a tw h e no h m i cc o n t a c t sw e r ef o r m e d , t h et r a n s v e r s ed i f f u s i o no f c o n s i d e r a b l em e t a la t o m st o w a r d st h eg a t ec o n t a c t sh a p p e n e d t h i sr e s u l t e di ns t r o n g p o l a r i z a t i o nc o u l o m bf i e l ds c a t t e r i n gb e t w e e nt h eg a t ea n dd r i a nr e l a t e dt ot h es t r a i n v a r i a t i o ni nt h ea 1 g a nb a r r i e rl a y e r h o w e v e r , n ot r a n s v e r s ed i f f u s i o no f m e t a la t o m s h a p p e n e df r o mt h ed r a i nc o n t a c t so fs c h o t t k yd r a i na i g a n a 1 n g a nh f e t sw i t h o u t t h e r m a la n n e a l i n g t h e r e f o r et h ed r a i nc o n t a c t so fs c h o t t k yd r a i na 1 g a n a 1 n g a n h f e t sh a v el e s se f f e c to nt h es t r a i nv a r i a t i o ni nt h ea 1 g a nl a y e rb e t w e e nt h eg a t e a n dd r a i n , a n dt h ep o l a r i z a t i o nc o u l o m bf i e l ds c a t t e r i n gb e t w e e nt h eg a t ea n dd r a i n d e c r e a s e s 3 r e s e a r c ho nt h ei n t e r f a c et r a p si na 1 g a n a 1 n g a nh e t e r o s t r u c t u r e s b a s e do n t h em e a s u r e di - vc u r v e s ，c vc u r v e s ，g - yc u r v e sa n dt h ee q u i v a l e n tm o d e l so f a 1 g a n a i n g a nh e t e r o s t r u c t u r e s ，t h ed e n s i t yo fi n t e r f a c et r a p s ，t h et i m ec o n s t a n t s a n dt h et r a ps t a t ee n e r g yo fa i g a n a i n g a nh e t e r o s t r u c t u r ed e v i c e sw i t hd i f f e r e n t o h m i cc o n t a c ts p e c i f i cr e s i s t i v i t yw e r ec a l c u l a t e d t h er e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h a tt h e o h m i cc o n t a c ta n n e a l i n gi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tf a c t o r st h a th a v ea ni n f l u e n c e o nt h ed e n s i t yo fi n t e r f a c et r a p s ，t h et i m ec o n s t a n t sa n dt h et r a ps t a t ee n e r g yo f a i g a n a 1 n g a nh e t e r o s t r u c t u r e s k e y w o r d s ：a 1 g a n a i n g a nh f e t , t w o d i m e n s i o n a le l e c t r o ng a s ，s c h o r k yc o n t a c t s ， p o w e rc o n s u m p t i o nm e t h o d ，p o l a r i z a t i o nc o u l o m bf i e l ds c a t t e r i n g ，i n t e r f a c et r a p s i v 山东大学硕士学位论文 g a n a l g a n a l n m o c v d h f e t s b d c v g v i v 2 d e g l e d r 1 2 d u n d i t t e 7 主要符号表 氮化镓 铝镓氮 氮化铝 金属有机化学气相沉淀 异质结场效应晶体管 肖特基势垒二极管 电容一电压特性曲线 电导电压特性曲线 电流一电压特性曲线 二维电子气 发光二极管 二维电子气密度 电子气迁移率 界面陷阱态密度 时间常数 界面陷阱态能级 v 山东大学硕士学位论文 v i 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1g a n 基材料概述 g a n 基材料包括g a n 、a 1 n ，i n n 及其构成的a 1 g a n ，i n a i n 合金等材料， 是第三代半导体材料的典型代表。g a n 基材料是直接带隙半导体，其带隙宽度 可以从i n n 的0 7 e v 到g a n 的3 4 e v 再到a 1 n 的6 2 e v 连续可调。相比于第一 代硅、锗等元素半导体材料，第二代砷化镓( g a a s ) 、锑化铟( i n s b ) 等化合物半 导体材料，g a n 基半导体材料具有大禁带宽度、高热导率、强击穿电场、高饱 和电子漂移速度的优点( 表i ) ，在高温、高频、大功率领域具有广阔的应用前 景【卜5 | ，是目前半导体研究领域的热点材料。 表i 几种重要半导体的基本特性参数比较 t a b l eib a s i cp a r a m e t e r so fs e v e r a li m p o r t a n ts e m i c o n d u c t o rm a t e r i a l s 1 1 1g a n 基本性质 g a n 是宽禁带i i i 族氮化物半导体，材质坚硬，熔点高( 约为1 7 0 0 ) ，是极 稳定的化合物，可结晶成六方纤锌矿结构或四方亚稳的闪锌矿结构【6 1 ，见图 1 1 1 。近年来，在较低压力范围溶剂热生长的晶体中也发现了岩盐结构出现【7 1 。 纤锌矿结构，是由g a 原子和n 原子各自组成的六方排列的双原子层堆积而成， 山东大学硕士学位论文 具有两种类型的六方原子层，它的( 0 0 1 ) 面规则的按照a b a b a 顺序堆积。闪锌 矿结构的g a n 与金刚石型结构类似，区别是g a n 由两类不同的原子组成。g a 原子与n 原子各自组成面心立方晶格，沿空间对角线彼此位移四分之一的空间 对角线长度套构形成g a n 闪锌矿结构。 ( a ) c 目 ( b ) 图l l - lg a n 的纤锌矿晶体结构( a ) ，闪锌矿晶体结构( b ) f i g 1 - 1 - 1t h ew u r t z i t es t r u c t u r e ( a ) a n dt h ez i n c b l e n d e 咖c t u r e ( b ) o fg a n 表i i 为纤锌矿结构和闪锌矿结构g a n 的一些已知性质。 表i i 纤锌矿结构和闪锌矿结构的g a n 基本性质 t a b l ei ib a s i cc h a r a c t e r i s t i c so fw u r t z i t eg a na n db l e n d eg a n 山东大学硕士学位论文 1 1 2a l g a n g a n 异质结材料的极化特性 a 1 g a n g a n 是国际上广泛关注的新型宽禁带化合物半导体材料。 a i g a n g a n 异质结场效应晶体管( h f e t ) 由于其饱和电子漂移速度高、化学性 质稳定、耐高温、抗辐射、导热性能好，在制备高性能高频大功率微波器件及大 功率电力电子器件方面极具潜力。由于a 1 g a n g a n 异质结材料本身具有极强的 自发极化与压电极化【8 - 9 】，即使在非故意掺杂的情况下，异质界面处仍可以产生 达1 1 1 0 1 3 c m 。2 的二维电子气( 2 d e g ) 。 a 1 g a n g a n 异质结材料可通过金属有机化学气相沉淀( m o c v d ) 或分子束 外延( m b e ) 生长技术，在蓝宝石或s i c 衬底上生长【1 0 12 1 。生长的异质结材料， 根据表面原子的类型分为g a 面材料和n 面材料，如下图所示。正方向规定为沿 c 轴从g a 原子指向最近的n 原子，也就是 0 0 0 1 1 方向。有研究表明，g a 面g a n 的晶格结构质量比n 面g a n 的更高【13 1 。 g r - - f a c e n - f a c e s u b s t r a t e 匝 s u b s t r a t o 墨 图1 1 2 纤锌矿g a 面g a n 和n 面g a n 结构示意图 f i g 1 1 2s c h e m a t i cd r a w i n go f t h ec r y s t a ls t r u c t u r eo fw u r t z i t eg a f a c ea n dn f a c eg a n g a n 材料的稳定结构为六角立方的纤锌矿结构，由于g a n 材料中g a 原子 与n 原子得失电子的能力不同，且六方结构是一种对称性较低的结构，导致g a n 材料中存在着很强的自发极化效应，表示为尸印，如图1 1 3 所示。自发极化强 山东大学硕士学位论文 度的计算公式【9 1 如下，其中x 为a l 的组分： o = ( - o 0 5 2 x 一0 0 2 9 ) c m 2 ( 1 一1 ) a 1 n 也是六角结构，但其与g a n 晶格常数不一致，因此在a 1 g a n 层中，除 了自发极化效应，必然还存在着压电极化效应，表示为p p e ，如图1 1 3 所示。 压电极化强度的计算公式为【9 】： = 2 垫( 巳l 一岛3 巫) ( 1 - 2 ) a o屹3 其中，g ：= ( c - c o ) c o 是沿着c 轴的应变系数，毛= e ，= ( a - a o ) a o 是x y 平面内 各向同性的应变系数，、为a 1 g a n 的本征晶格常数，口、c 为接触界面 处a 1 g a n 晶格常数，岛l 、巳3 是极化系数。 六角结构的a i g a n 系统中，晶格常数之间的关系为： 一c - - c o ：_ 2 鱼竺旦 ( 1 3 ) c oc 3 3a o 其中q ，、c 3 ，为弹性系数，结合( 1 - 2 ) ；g l ( 1 - 3 ) ，我们得到压电极化的具体表达式为： = 2 垫( 巳l 一巳3 5 z ) 口。岛3 ( 1 - 4 ) 我们这里研究的a i g a n g a n 异质结构材料，a 1 g a n 层均是由g a n 层外延生 长，a 1 g a n 层均是张应变，其压电极化方向总是与自发极化方向相同，因此a 1 g a n 层总极化强度为： p = + 岛 ( 1 5 ) 图1 1 _ 4 为a 1 g a n g a n 异质结构中的极化电荷和2 d e g 的分布情况，异质 结构中，在a 1 g a n 上面有一层g a n 帽层。当异质结构g a 面朝上时，a i g a n 与 g a n 层中的自发极化与压电极化方向均指向衬底的方向，这时a i g a n 层与下层 g a n 异质界面处产生正极化电荷( + o ) ，自由电子会补偿极化产生的感应电荷， 从而在异质界面处形成2 d e g 沟道，此时的异质界面处三角形势阱会降到费米能 级所之下。相反的，n 面朝上时，a 1 g a n 与g a n 层中的极化方向均指向衬底反 方向，这时会在a i g a n 与上层g a n 异质界面处形成2 d e g 沟道。 4 山东大学硕士学位论文 曼曼蔓皇曼曼曼皇曼曼曼! 曼曼皇曼曼曼皇鼍曼曼曼皇曼皇曼曼曼曼鼍曼皇曼皇曼曼i i i i i o 鼍曼! 曼曼曼曼曼曼曼皇曼! 曼曼曼曼曼! 皇! 曼 正是由于在a 1 g a n g a n 异质结构中存在极强的自发极化与压电极化，才可 以在无j l - d l ：i 偏压的情况下，a 1 g a n g a n 异质界面处就可以产生高达1 1 1 0 1 3 c m 。2 的2 d e g ，使得a i g a n g a n 异质结构器件在功率器件领域有广阔的应用前景。 a ，b ) p 随 6 p 图1 - l - 3a i g a n g a n 异质结构中的自发极化效应与压电极化效应( a ) g a 面朝上，( b ) n 面 朝上 f i g 1 1 3s p o n t a n e o u sa n dp i e z o e l e c t r i cp o l a r i z a t i o no f a i g a n g a nh e t e r o s t r u c t u r e sw i t h ( a ) 协n s i 陪 s t r a i n - g a - f a c e t o pa n d ( b ) n f a c et o p g a 棚h 拿佣 - a i p s p -a 1 i r 1 i r 毫 p s p g i no r a 粥洳n + o a i z o 毒 钿n 2 0 e g a i g a 牲 2 e 毫g g a n n - f a c e 图l l 一