（微电子学与固体电子学专业论文）algangan异质结构的变温电学特性.pdf

摘要 摘要 a 1 g a n g r n 异质结构h e m t 作为微波大功率器件以其优异的性能而成为目前 国际上的一个研究热点，随着g a n 薄膜生长技术的提高，对于异质结构的研究不 仅仅是追求常规常温下的电学特性参数，而更要求在更宽的温度范围内对 a 1 g a n g a n 异质结构的电特性进行各种机理的分析，建模以及高温应用的可行性 及退化机理的分析。本文即在此背景下对a i g a n g a n 异质结构的变温电学特性进 行一个研究，使用到了肖特基电容电压( c v ) 效应，低场下h a l l 效应以及f a th f e t 长栅器件的电容电压电导电压( c c ) 测试的表征手段，在7 7 k 至6 7 3 k 的高温下 对其进行a i g a n g a n 电子体系的研究，2 d e g 密度与迁移率的变温依赖关系以及 a i g a n g a n 异质结构的高温电子输运特性等等，主要的研究工作以及成果如下： l 利用极化理论和一维薛定谔泊松联立方程的自洽求解研究了2 d e g 界面不同 温度下的变化，在7 0 0 k 的高温下，2 d e g 依然获得很高的限域性，证实了 a i g a n g a n 异质结构高温应用的可行性。在理论上对2 d e g 迁移率散射机制的建 模上发现，在低温段，主导2 d e g 迁移率的散射机制有粗糙度散射，合金无序散 射以及压电散射，在室温段，几乎所有的散射机制都起到一定的作用，而在高温 段，2 d e g 迁移率则主要受到声学声子和极化光学波散射的削减作用。 2通过对a i g a n g a n 异质结构的变温c v 研究发现，其电子体系可分为：1 界 面的2 d e g ，2 a i g a n 层非掺杂施主离化的电子，3 g a n 层的背景电子对于非调 制掺杂的a i g a n 势垒层，其电子浓度在6 7 3 k 的高温下相比7 7 k 下增加了约两倍， 而g a n 缓冲层中电子浓度则是以数量级的递增。对于2 d e g 密度，随温度增加则 出现先下降后升高的规律，较低温度段的降低是由于导带不连续e c 的降低而使 得三角势阱容纳不了更多电子，较高温度段2 d e g 密度的增加是由于2 d e g 界面 处以及界面两侧施主杂质离化产生的自由电子充当着一部分的2 d e g 。 3 通过高温h a l l 效应对3 2 0 型m o c v d 生长的多批次a i g a n g a n 异质结构的电 子密度与温度关系的研究，均发现室温下耗尽电容越小，背景电子浓度增加数量 就越小，甚至观察不到背景电子的出现，相反，耗尽电容越大，其背景电子浓度 增加越剧烈，甚至在数值上超过了2 d e g 。这对于生长高质量的a i g a n g a n 异质 结构具有一定的参考价值。 4通过f a th f e t 器件的变温c c 测试，结合理论研究了不同温度及不同2 d e g 密度下的2 d e g 迁移率，实验发现，在高温下，库伦散射对低2 d e g 密度的迁移 率有着较大的削减作用，这是因为库伦散射在高温下还必须考虑另一种来源：背 景电子，而背景电子附加的库伦散射迁移率要比2 d e g 的低很多，因此才致使 2 d e g 迁移率较低。 2 a i g a n g a n 异质结构的变温电学特性 5通过高温h a l l 效应研究分析了a i g a n g a n 异质结构的高温电子输运特性，对 不同舢组分的异质结构高温输运特性研究发现，低a l 组分a i g a n g a n 异质结构 在6 8 0 k 下迁移率较高a l 组分的要低，分别为1 5 4 ，1 8 2 c m 2 n s ，由理论计算可知 1 5 和4 0 a 1 组分的异质结构二维电子气( 2 d e g ) 的第一子带占据在7 0 0 k 下分 别为7 5 和8 2 ，且2 d e g 在整个电子体系里的比例分别为3 0 和6 0 ，反映出 在高温段，a l 组分越高，对次子带的抑制更强，且2 d e g 的主导作用更大，反之 相反。由理论计算得出的不同a l 组分a i g a n g a n 异质结构总迁移率与温度的关 系的计算结果与实验结果相符合，表明了高a l 组分异质结构更适合作为微波大功 率器件的材料。 关键字：a i g a n g a n 异质结构变温电学特性 a b s t r a c t a b s t r a c t 3 a i g a n g a nh e t e r o s t r u c t u r e sh a v er e c e n t l yb e e na t t r a c t i n gm u c ha t t e n t i o nb e c a u s e o ft h e i rg r e a tp o t e n t i a lf o rh i g h - v o l t a g e ，h i 曲- p o w e ra n dh i g h - t e m p e r a t u r em i c r o w a v e a p p l i c a t i o n s a st h eg r o w t ht e c h n i q u ei sd e v e l o p i n g ，i tw i l lb en o to n l ya i m i n gt o i m p r o v et h ee l e c t r o nc h a r a c t e r i s t i ct oa 1 g a n g a nh e t e r o s t r u c t u r e s ，b u tt of i n da n d e x p l a i nt h em e c h a n i s m si naw i d et e m p e r a t u r er a n g e ，a n dt os t u d yt h ef e a s i b i l i t ya t h i g h - t e m p e r a t u r e ，m o d e lt h ed e g e n e r a t e dm e c h a n i s m s ，a n ds oo n i nt h ep a p e r , t h e e l e c t r o nc h a r a c t e r i s t i co fa i g a n g a nh e t e r o s t r u c t u r e sa tv a r i a b l et e m p e r a t u r e sw i l lb e s t u d i e d b yt h eu s eo fc a p a c i t a n c e v o l t a g e ( c v ) e f f e c t , h a l le f f e c ta tl o w - f i e l d sa n dt h e c a p a c i t a n c e - v o l t a g e ，c o n d u c t a n c e - v o l t a g e ( c c ) m e a s u r e m e n to nf a th f e td e v i c e ，t h e e l e c t r o n s y s t e m s ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt w o - d i m e n s i o n a l - e l e c t r o n g a s ( 2 d e g ) d e n s i t ya n di t sm o b i l i t y , a n dt h eh i g h - t e m p e r a t u r ee l e c t r o nt r a n s p o r tc h a r a c t e r i s t i co f a i g a n g a nh e t e r o s t r u c t u r e sh a v eb e e ne x a m i n e da n da n a l y z e d t h em a i nw o r k sa n d r e s u l t so nt h er e s e a r c ha r el i s t e da sf o l l o w i n g ： 1r e s e a r c ho nt h e2 d e gi n t e r f a c ec h a r a c t e r i s t i ca tv a r i a b l et e m p e r a t u r e sb yt h eu s e o ft h e o r yt op o l a r i z a t i o na n ds e l f - c o n s i s t e n t l ys o l v i n gs c h r & l i n g e r sa n dp o i s s o n s e q u a t i o n s a tt h eh i g ht e m p e r a t u r eo f7 0 0 k ，t h ec o n f i n e m e mt o2 d e gw a ss t i l lw e l l ， w h i c hi sg o o dr e a s o l lt ot h eh i g h - t e m p e r a t u r ea p p l i c a t i o n s a tl o wt e m p e r a t u r e2 d e g m o b i l i t yw a sm a i n l yd o m i n a n tb yi n t e r f a c er o u g h n e s s ( i f r ) s c a t t e r i n g , a l l o yd i s o r d e r ( a l l o y ) s c a t t e r i n ga n dp i e z o e l e c t r i c ( p e ) s c a t t e r i n g a tr o o mt e m p e r a t u r ea l m o s te v e r y s c a t t e r i n g sc o n t r i b u t e dt o2 d e gm o b i l i t y , b u ta th i g ht e m p e r a t u r ei tb e c o m e st o a c c o u s t i ep h o n o n ( a c ) s c a t t e r i n ga n dp o l a r i z e do p t i c a lp h o n o n ( p o ) s c a t t e r i n g ，嬲a r e s u l to ft h em o d e l i n gt o2 d e gs c a t t e r i n gm e c h a n i s m s 2i tw a sf o u n dt h a tt h ee l e c t r o ns y s t e mc o u l db ed e v i d e di n t o2 d e gi nt h ei n t e r f a c e ， e l e c t r o ni o n i z e db yd o n o ri na i g a nb a r r i e rl a y e r ，a n dt h eb a c k g r o u n de l e c t r o ni ng a n b u f f e rl a y e r , t h r o u g ht h ee x a m i n a t i o no fa 1 g a n g a nh e t e r o s t r u c t u r e sb yu s i n gc v e f f e c ta tv a r i a b l et e m p e r a t u r e s t h ee l e c t r o nd e n s i t yi na 1 g a ni n c r e a s e db yt w i c ea t 6 7 3 k ，c o m p a r e dt o7 7 kw h i l ei tw a si n c r e a s e db ym a g n i t u d e si ng a nb u f f e rl a y e n 2 d e gd e n s i t ys h o w e di nr u l e st ot h et e m p e r a t u r e sw h i c hw a sf n s t l yd e c r e a s e da n dt h e n i n c r e a s e d t h ed e c r e a s i n ga tl o w e rt e m p e r a t u r ew a sc a u s e db yt h ed e c r e a s eo ft h e c o n d u c t i o nd i s c o n t i n u i t y , w h i c hm e a n tt h a tt h et r i a n g l eq u a n t u mw e l lc o u l dn o tc o n t a i n m o r ee l e c t r o n s t h ei n c r e a s i n ga th i g h e rt e m p e r a t u r ew a sb e c a u s eo ft h ec o n t r i b u t i o no f t h ee l e c t r o ni o n i z e db yt h ed o n o ri nt h ei m e r f a c ea n da tb o t hs i d e s 4 a 1 g a n g a n 异质结构的变温电学特性 3t h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h eb a c k g r o u n de l e c t r o nd e n s i t yw i t l lt h et e m p e r a t u r e w a ss t u d i e dt ot h ea i g a n g a nh e t e r o s t r u c t u r e sg r o w nb ym o c v d 3 2 0u s i n gh a l l e f f e e li tw a sf o u n dt h a tt h el o w e rt h er o o mt e m p e r a t u r ed e p l e t i o nc a p a c i t a n c eo f m g a n g a nh e t e r o s t r u c t u r e s ，t h ef e wt h ei n c r e a s i n go fb a c k g r o u n de l e c t r o nd e n s i t y , e v e nn o ta p p a r e da te v e r yt e m p e r a t u r e b u tw h e nh ed e p l e t i o nc a p a c i t a n c ew a sh i g h e r , t h ei n c r e a s i n go fb a c k g r o u n de l e c t r o nd e n s i t yw a sm o r ea c u t e ，e v e ne x c e e dt o2 d e g t h i sr e s u l tw i l lb em o r ei m p o r t a n tt og r o wh i g hq u a l i t ya i g a n g a nh e t e m s t r u c t u r e s 4t h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e n2 d e gd e n s i t i e sa n dm o b i l i t i e sa td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s h a db e e ne x a m i n e du s i n gt h ec cm e a s u r e m e n t sa n dm e c h a n i s mt h e o r y a n df o u n dt h a t a t1 1 i g ht e m p e r a t u r e ，2 d e gm o b i l i t ya tl o wd e n s i t yw a sw e a k e nb a d l yb yc o u l o m b s c a t t e r i n g ，w h i c hs h o u l db ei n c l u d ea n o t h e rs o u r c e ：b a c k g r o u n de l e c t r o n s b e c a u s et h e m o b i l i t ya d d e db yt h eb a c k g r o u n de l e c t r o nc o u l o m bs c a t t e r i n gw a sm u c hl o w e r , s ot h e 2 d e gm o b i l i t yw a sm u c hl o w e rc o m p a r e dt ot h eh i g h e r2 d e g d e n s i t y s 5 h i g h - t e m p e r a t u r ee l e c t r o nt r a n s p o r tp r o p e r t i e s w e r er e s e a r c h e do nd i f f e r e n t m c o n t e n t s m g a n g a nh e t e r o s t r u c t u r e su s i n gh a l le f f e c t i tw a sf o u n dt h a tt h e e l e c t r o nm o b i l i t yo fl o w e r m - c o n t e n th e t e r o s t r u c t u r ew a sl o w e rt h a nt h a to fh i g h e r m - c o n t e n t , t h e yw e r e15 4 ，18 2 c m 2 v s ，r e s p e c t i v e l y t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o ns h o w e d t h a te l e c t r o no c c u p a t i o n si nt h ef i r s ts u b b a n dw e r e7 5 a n d8 2 a t7 0 0 k , r e s p e c t i v e l y , f o rt h el5 a n d4 0 m - c o n t e n t sh e t e r o s t r u c t u r e s t h e2 d e gr a t i o si nt h ew h o l e e l e c t r o ns y s t e mw e r e3 0 a n d6 0 ，r e s p e c t i v e l y i n d i c a t e dt h a ta th i g ht e m p e r a t u r e ，t h e h i g h e ra l - c o n t e n ta 1 g a n g a nh e t e r o s t r u c t u r eh a d ，t h es t r o n g e rt op r e v e n te l e c t r o nf r o m m o 访n gt oh i g h e rs u b b a n d s ，a n dt h em o r ee f f e c t i v e f o r2 d e gd o m i n a n t t h i sf o u n d a g r e e dw e l l 谢t ht h er e s u l t so f t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n s ，i n d i c a t i n gt h a th i g h e ra i - c o n t e n t a 1 g a n g a nh e t e r o s t r u c t u r ew a s m o r es u i t a b l ef o rh i g h - t e m p e r a t u r ea p p l i c a t i o n s k e yw o r d s ：m g a n g a nh e t e r o s t r u c t u r et e m p e r a t u r e - d e p e n d e n te l e c t r o n - p r o p e r t y 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：弛整笙 日期翌22 ：三： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕业离校后，发 表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学校有权保留送交论 文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采 用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。 本人签名：啦日期型三：狙塞 导师签名：i 丝选型x 日期迦! ! ：室：! 星 第章绪论 第一章绪论 1 1 g a n 基h e m t 的特点 随着无线通讯的发展，第二代化合物半导体的器件性能越来越不能满足高频 大功率的应用需求，如g a a s 的功率密度的提高非常有限，其最高功率密度只能达 到1 5 7 w m m 1 i g h z t l j l ，而且是在牺牲工作频率下获得的，因此研究人员开始 将研究重心转向宽禁带半导体器件【1 2 l 。由于宽禁带半导体具有禁带宽，击穿电场 强，饱和电子速度高等特点( 表1 1 ) ，从而使得其非常适合应用于微波大功率领 域。 表1 1 几种重要半导体材料的基本材料参数 s ig a a ss i cg a n 禁带宽度( e v ) i 1 11 4 32 93 4 相对介电常数 1 1 41 3 19 79 8 击穿电场( v c m ) 6 1 0 56 5 x 1 0 53 5 x 1 0 65 x i 0 4 电子饱和速度( c m s ) 1x1 0 72 x 1 0 72 x1 0 7 2 5 1 0 7 电子迁移率( c m 2 n s ) 1 5 0 0 6 0 0 0 8 0 0 1 6 0 0 通常用于表征半导体材料高频大功率应用潜力的指标有两个：j o h n s o n 品质因 子f 1 3 】和b a l i g ag b 霞n 7 ：t 1 4 1 。 j o h n s o n 品质因子的表达式可表示为： j m f ：鸳2 2 4 石 式( 1 1 ) 式中，易为击穿电场强度 为电子饱和漂移速度。 b a l i g a 品质因子的表达式可表示为： b f o m = f , o 瞒式( 1 - 2 ) 式中，岛为介电常数 u 为电子迁移率。 表1 2 给出了以s i 的品质因子作为单位“1 ，然后利用表1 1 数据得到的 j o h n s o n 品质因子和b a l i g a 品质因子，从表1 2 可以看出，g a n 材料非常适合于制 造高频微波大功率器件。 2 a i g a n g a n 异质结构的变温电学特性 表1 2 几种重要半导体材料的高频大功率应用潜力指标 s ig a a s s i cg a n j m fl1l4 1 0 7 9 0 b f o ml1 63 4 1 0 0 不仅如此，与g a a s 化合物半导体一样，g a n 可以形成调制掺杂a 1 g a n g a n 异质结构，由于其存在极强的压电极化和自发极化，可形成高达5 m v c m 的极化 电场i l 一，即使在没有任何掺杂的情况下，a 1 g a n g a n 异质结构界面也可以形成很 高浓度的二维电子气( 2 d e g ) ，其典型值可达1 0 1 3 c m - 2 量级i 1 2 】。并且，在如此高 的电场之下，电子可以摆脱三维空间的束缚而被限制在很窄的平面空间内运动， 形成量子阱结构，电子在界面分布的半高宽典型值为3 - 5 n m l l 。2 1 ，因此，2 d e g 具 有很高的迁移率( 1 5 0 0 c m 2 v s ) ，同时可以获得很高的峰值电子速率( 3x1 07 c r n s ) 和饱和电子速率( 2 x1 0 7 c m s ) ，可制备成高电子迁移率晶体管( h e m t ) ，成为高 频大功率器件的首选半导体材料。因此，a i g a n g a nh e m t s 作为异质结构场效应 管( h f e t s ) 的一种，在近十几年来一直备受关注并成为研究热点。同时g a b 基 h e m t 的研究也取得了长足的进展【1 2 j 。 1 2 g a n 基异质结构的变温电学特性研究进展 1 2 1当前g a n 基异质结构研究进展 a i g a n g a n 异质结构材料的电特性远远超出了g a n 体晶材料的电特性，因此， 从1 9 9 4 年至今a i g a n g a n 异质结构材料的生长和a 1 g a n g a nh e m t 器件的研制 始终占据着g a n 电子器件研究的主要地位。 1 9 9 2 年k h a n 等人在蓝宝石衬底上制造出a 1 g a n g a n 异质结构材料，并利用 s d h 量子霍尔效应证实了a i g a n g a n 界面二维电子气( 2 d e g ) 的存在。该 a 1 g a n g a n 异质结构2 d e g 的室温迁移率为8 3 4 c m 2 v s ，7 7 k 迁移率为 2 6 2 6 c m 2 v s 。室温2 d e g 密度为l x l 0 c r n 。 此后，随着工艺水平的改进，材料质量不断提高，蓝宝石衬底a 1 g a n g a n 单 异质结( s h ) 的2 d e g 迁移率不断增加。1 9 9 2 年，低温( 7 7 k ) 2 d e g 迁移率为 2 6 2 6 c m 2 v s l l 3 j ；1 9 9 5 年，低温迁移率达到5 0 0 0 c m 2 v s 1 9 】：1 9 9 6 年，低温迁移率 提高到5 7 0 0 c m 2 v s 0 a 0 1 ；1 9 9 9 年，低温迁移率提高到了1 0 3 0 0c m 2 v s t 1 1 。此后蓝 宝石衬底a i g a n g a n 异质结构2 d e g 的迁移率没有更高的报道。对于室温2 d e g 迁移率，通常在8 0 0 15 0 0 c m 2 v s 之间。 a i g a n g a n 异质结材料性能不断提高的同时，a i g a n g a nh e m t 器件的性能 也得到了不断的提高。1 9 9 9 年s i c 衬底a i g a n g a nh e m t 获得了高达 9 2 w r a m 8 g h z 的功率密度【1 j 2 1 。2 0 0 1 年v i n a y a kn l a k 等人制造的s i c 衬底 a i g a n g a nh e m t 器件获得了1 0 7 w m m 1 0 g h z t i 1 3 】。c o n e l l 大学的j o h n z o l p e r 第一章绪论 3 博士研制出功率密度达到1 1 7 w r a m 1 0 g h z 的s i c 衬底a i g a n g a nh e m t 器件 0 1 4 1 。这约为g a a sp i l e m t 器件功率密度的十倍。2 0 0 5 年，a i g a n g a nh e m t 器 件的微波功率特性取得了很大的突破：日本富士通公司研制出功率达到2 5 0 w 的 a i g a n g a nh e m t 器件【1 1 5 1 ，且该器件具有很高的可靠性；r fm i c r od e v i c e s 的 v e t u r y 等人报道了功率密度为2 2 7 w m m 2 1 4 g h z 的a l g a n g a nh e m t 器件 i r a 6 1 ，其输出功率附加效率( p o w e ra d d e re f f i c i e n c y , p a e ) 达到了5 4 ；r o c k w e l l s c i e n t i f i cc o m p a n y 的b o u t r o sk s 等人报道了栅长为10 0 n m 的a i g a n g a nh e m t s 器件1 1 1 7 j ，在饱和电流为1 5 a m m 时其跨导为3 5 0 m s r a m ，截至频率弁为15 2 g i - i z ， 其最大振荡频率f 池达到17 3 g h z 。2 0 0 6 年，m a e k a w aa 等人成功开发出5 0 0 w 的a 1 g a n g a nh e m t 功率放大器【l 1 引，该放大器由四个h e m t 器件组成，工作在 1 5 g h z 下具有高的线性增益1 7 8 d b 。2 0 0 7 年，日本e u d y n ad e v i c e s 实验室的e i z o m 等人报道了功率达到8 0 0 w 的a 1 g a n g a nh e m t 功率放大器【1 9 1 ，其工作在 2 9 - 3 3 g h z 功率附加效率达到了5 0 ，线性增益为1 4 0 d b ；同年，南罗莱纳州大 学k o u d y m o va 等人报道了高功率附加效率的a 1 g a n g a nh f e t 器件【l 2 0 l ，其功 率密度2 0 w m m 2 g h z ，其功率附加效率最高为7 4 。 总之，近些年来，随着材料质量和器件工艺的不断进步，a 1 g a n g a nh e m t 获得了长久而深入的全面研究，其性能在不断提升。a 1 g a n g a nh e m t 最近已创 造了输出功率密度3 2 2 w m m 4 g h z 以及单管输出功率2 3 0 w 的记录【1 2 1 1 。 a i g a n g a nh e m t 器件以其所具有极好的微波大功率特性大大地增强了g a n 微波 功率器件研究和应用前景。 1 2 2 灿g a n q l n 异质结构变温电学特性研究进展及其意义 以上所列的有关报道均为常规室温下的数据，但是对于理论性的研究，还要 知道低温段以及高温段下的电学特性所发生的变化，才可以不断修正理论模型以 及给出新的解析。对于实用性的研究，a 1 g a n g a n 异质结构不可能只在单一的温 度下工作的，而通常则是在高温的恶劣环境下，因此对于a l g a n 船a n 异质结构的 变温电学特性特别是高温的研究就显得很有必要，下面让我们来看看目前国际上 对于a i g a n g a n 异质结构材料与器件的变温电学特性的研究情况。 在理论研究上，h m n g 等人【1 五l 利用电子回旋共振对n 型s i 掺杂g a n 薄膜 样品进行低温横向迁移率研究中指出，当载流子浓度低于5 1 01 7 c m 3 时，迁移率 与载流子浓度的关系可以使用位错散射模型来解析，而与温度的依赖关系则应当 考虑热激活能模型而不能使用经典行为分析。n i l sgw e i m a n n t 旧l 进一步的利用刃 位错的填充陷阱来表述为库伦散射中心，给出了刃位错影响的理论模型。以上是 对于g a n 薄膜的一般研究，对于异质结构界面特性，dz a n a t o 等人【1 2 4 】对 g a n a i g a n 界面的2 d e g 低温迁移率进行研究，利用2 d e g 三角势阱限域的2 d 4 a i g a n g a n 异质结构的变温电学特性 退化统计分析指出，界面粗糙度( i f r ) 和位错散射的影响可以解析2 d e g 迁移率 模型，但是实际上，形变势与压电场散射也可以占据一定的地位，同时给出了修 正的2 d e g 低温迁移率模型。b s h e n 等人【甾】在对掺杂的a l o 2 2 g a o 7 8 n g a n 异质 结构7 7 k 下2 d e g 迁移率研究指出，由不同弛豫度的样品的低温2 d e g 迁移率数 据得出压电场极化散射是不可忽略的，并给出了室温下与7 7 k 下2 d e g 迁移率分 别为1 2 7 4 ，4 4 9 5 c m 2 v s 。z h a n g 等人l l 2 6 j 则通过理论与实验数据的结合，给出了 2 d e g 迁移率与温度的变化关系，综合的考虑了声学形变势，压电场，背景施主离 化，表面施主，位错，合金无序以及界面粗糙度等散射机制的影响，得出了不同 厚度与舢组分下a i g a n g a n 异质结构2 d e g 迁移率与温度的依赖关系。 对于2 d e g 与迁移率的依赖关系，o d e dk a t z t u7 j 利用几何磁阻效应和c v 效应 对f a tf e t 的变温特性研究得出，在不同温度段，2 d e g 面密度f n s ) 与迁移率均符 合塔形分布关系，对于低n s 的2 d e g 迁移率，其主要影响机制为表面电荷间的库 伦作用，而对于高n s 的2 d e g 迁移率，主导机制则为界面粗糙度散射。j i a n z h i z b _ a o f j 2 8 】在对不同n i 肖特基栅面积的h f e t 进行c v 效应和i v 特性的研究发现， n i 面积增大时2 d e g 迁移率增加，当栅压从负往正扫描时，除了最大栅面积的样 品以外，2 d e g 迁移率均有所增加，因而提出了一种新的散射机n - 与a i g a n 应 变有关的极化库伦场散射。 对于应用性研究上，目前则主要集中在高温段，如n a r i h i k om a e d a 等人【1 2 9 】 对a l o 1 5 g a o 8 5 n g a n 异质结构的高温输运特性研究发现2 d e g 迁移率主要受到极 化光学波( p o ) 散射的影响，与理论的预测相符，指出在不同调制掺杂下，2 d e g 迁移率退化至4 0 0 下的1 2 0 c m 2 v s 左右，理论的分析表明2 d e g 峰值有所下降， 且电子逐渐跃迁至更高的子带导致2 d e g 的限域性被削弱，同时指出，a i g a n g a n 的电子浓度有所上升。t a o 等人1 1 3 0 1 分别对一个全应变和一个部分应变弛豫的 a 1 g a n g a n 异质结构中2 d e g 高温输运特性研究中也指出，高温阶段2 d e g 迁移 率主要是受到了极化光学波( p o ) 散射的影响，相对于室温下的压电极化场影响 关系要简单，2 d e g 迁移率下降至4 0 0 下1 5 0 c m 2 s 左右。o z g u r a k t a s 等i l j l j 对 a i g a n g a n 异质结构h e m t 的输出与跨导的变温特性进行研究，指出在高温下， 输出功率与跨导的退化主要是由于a i g a n g a n 异质结构2 d e g 迁移率的退化而引 起的，最大输出电流从室温下3 0 0 m a m m 降低至3 0 0 下的8 0 m a m m ，相应的最 大跨导分别为1 5 0 m s m m 和4 0 m s m m ，栅肖特基特性在高温下退化比较严重，且 由c v 效应研究指出，高温下，a i g a n 势垒层里越来越多的施主杂质被激活而产 生了更多的电子，同时g a n 沟道层里的浅施主杂质也被充分离化，这些电子可能 进入或者穿过2 d e g 界面，对2 d e g 的输运特性产生严重的影响。y f w u i i 3 2 1 则 在对不同m 组分a i g a n g a n 异质结构h e m t 进行研究，指出，高a l 组分异质结 构2 d e g 迁移率随温度退化较为迟缓，相应的h e m t 在室温下的最大输出电流为 第一章绪论 5 1 a m m ，连续微波功率性能为2 8 4 w r a m 8 g h z ，尽管没有给出高温下的工作特 性，但是作者预测了高a l 组分异质结构在高温下的优异性。而由c h a n g z h il u 等【1 3 3 1 对调制掺杂的a 1 g a n g a n 异质结构h e m t 的变温特性研究指出，在低温- 4 0 下 的最大输出特性相比室温下增加了约1 5 ，在3 0 0 下相比室温下降低了近一半， 而夹断电压绝对值随着温度的增加先快速减小后趋于饱和，指出可能主要是因为 2 d e g 浓度的降低而弓 起的，同时也验证了高温下压电场与极化光学波散射理论的 主导地位。 。综上所述，对于a i g a n g a n 异质结构2 d e g 变温电学特性的研究，不管是在 理论模型的提取和修正上，还是在应用领域里分析a i g a n g a n 异质结构高温应用 的可行性以及特性退化的机理分析上，都有着非常重要的意义。而且很明显，此 项研究在国际上可以说是一个热点，可是，目前的研究较为零散，有些分析机理 不够完整，比如，2 d e g 界面的限域性与面密度随温度是怎样的变化关系? g 榔a n 的电子来源在不同温度下会有怎样的变化? 电子浓度是随温度升高而 升高还是随温度升高而降低? 不同舢组分以及不同结构生长的异质结构在变温下 电子输运特性是怎样的? 在高温下将会导致器件有怎样的退化特性? 等等，这些 都是亟待解决的问题，因此，a i g a n g a n 异质结构2 d e g 的变温电学特性研究将 是一项重要的工作。在此背景下，本论文针对a l g a n g a n 异质结构的电学特性进 行了变温的研究，使以上疑问较为明朗化。 1 3 本文的研究内容和安排 本论文的研究工作是在国家自然科学基金重大项目及关键项目( 批准号： 6 0 8 9 0 1 9 1 ，6 0 7 3 6 0 3 3 ) 和国家重点科技专项( 批准号：2 0 0 8 z x 0 1 0 0 2 ) 等支持下对 a l g a n g a n 异质结构进行的变温电学特性研究。由于a i g a n g a n 异质结构属于极 化工程和能带工程，因此，本文首先通过一维薛定谔泊松联立方程的自洽求解对 a i g a n g a n 异质结构的2 d e g 进行不同温度下的仿真，以及通过2 d e g 界面散射 机制对2 d e g 迁移率随温度变化的计算，再而从实验中通过变温c v 效应揭示和 分析低温与高温下2 d e g 与整个电子体系的变化，以及通过长栅f a th f e t 器件 的变温电容一电导( c c ) 测试分析了不同温度下散射机制与2 d e g 迁移率的关系， 最后通过高温h a l l 效应的测试研究了不同砧组分与不同g a n 缓冲层a i g a n g a n 异质结构在高温下的电子输运特性。 具体章节安排如下： 第一章为绪论，简要介绍国内外g a n 基h e m t 材料与器件研究进展后，针对 目前已有的a i g a n g a n 异质结构变温研究情况进行了一个概括，说明了变温电学 特性研究的重要意义。 第二章主要通过对变温参数的修正，利用一维薛定谔泊松联立方程的自洽求 6 a i g a n g a n 异质结构的变温电学特性 解，仿真了不同温度下2 d e g 浓度以及导带低的分布图，和各个子带在不同温度 下的占据情况，同时通过2 d e g 界面迁移率理论模型，计算了不同散射机制的迁 移率以及总迁移率随温度的变化关系。 第三章首先介绍了本文研究工作中所使用的a i g a n g a n 样品的制备方法，包 括m o c v d 生长以及h f e t 器件工艺，接着介绍了电学特性的变温表征方法，包 括c v 效应，h a l l 效应以及即汀h f e t 的( c c ) 测试。 第四章利用变温c v 效应对a i g a n g a n 异质结构进行测试，揭示不同温度下