（微电子学与固体电子学专业论文）双沟道algangan异质结构材料与器件研究.pdf

摘要 摘要 随着材料质量和器件工艺的不断进步，a l g 州勖n 高电子迁移率晶体管 ( 脏m t ) 器件性能也得到了不断提升。为了追求更高的器件性能指标，众多研究 者一直在探索新的器件结构，双沟道异质结构就是其中一种。与传统的单沟道异 质结构器件相比，双沟道异质结构具有更高的二维电子气( 2 d e g ) 面密度和更好 的导电性，并且双沟道结构可以通过结构变化，得到具有不同浓度的2 d e g 沟道， 这些沟道可以起到不同的作用，可以灵活设计各种新型器件。因此，对g a n 基双 沟道异质结构材料和器件开展研究具有重要的意义。 本论文围绕新型双沟道a i g a n g a n 异质结构材料和器件的研制，从理论和实 验两方面开展了深入的研究。主要工作如下： 1 通过一维自洽求解薛定谔泊松方程，对多种双沟道a l q l n g a n 异质结构 进行了模拟仿真与优化设计。并根据模拟仿真结果指导实际实验，实验结果与模 拟仿真结果之间吻合较好。 2 外延生长出单沟道、双沟道a i g a n g a n 异质结构材料，测试表明，双沟道 a i g a n g a n 异质结材料具有和单沟道异质结材料相同的结晶质量，同时具有更高 的2 d e g 面密度和更好的高温电学特性。 3 外延生长出势垒层调制掺杂的双沟道a i g a n g a n 异质结材料，测试表明， 适当的调制掺杂有助于提高材料结晶质量和电学特性，但过高的掺杂浓度会导致 材料质量的恶化。 4 研制出具有平面栅和不同深度槽栅的多种双沟道a i q i n g a nh e m t 器件。 测试结果表明，相比于平面栅，槽栅结构的双沟道h e m t 器件具有更高的击穿电 压。 5 创新性地研制出掺杂双沟道a 1 g a n g a nh e m t 器件，测试结果表明掺杂的 双沟道在大电流方面和降低源漏极欧姆接触电阻方面有很大的优势，典型值有器 件欧姆接触电阻已达到0 0 4 9 5 0 h m - m m ，栅极悬空时的漏电流已达到2 a m m 。 6 测试了双沟道h e m t 器件的电流崩塌效应，结果表明，双沟道对高电场应 力下的崩塌效应有一定的抑制作用，界面陷阱是引起双沟道h e m t 器件开态电流 崩塌的主要原因。 关键词：铝镓氮甓化镓，异质结构，双沟道，高电子迁移率晶体管 双沟道a i g a n g a n 异质结构材料与器件研究 - - _ - - _ - _ _ _ 一 a b s t r a c t h i a b s t r a c t a st h em a t e r i a l s q u a l i t ya n dt h ed e v i c e s t e c h n i c sh a v eb e e nd e v e l o p e d ，t h e p e r f o r m a n c eo fa i g a n g a nh e m th a sg o tc o n s t a n t l ya d v a n c e s m e a n w h i l e ，m o r e a d v a n c e dd e v i c es t r u c t u r e sa r eb e i n ge x p l o r e df o rn l r t h e rp e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n t f o re x a m p l e ，t h ed o u b l ec h a n n e lh e t e r o s t r u c t u r eh e m t sa r eo n eo ft h e s es t r u c t u r e s c o m p a r a e dt ot h ec o n v e n t i o n a ls i n g l ec h a n n e lg a n - b a s e dh e t e r o s t r u c t u r ed e v i c e s ，t h e d o u b l ec h a n n e ld e v i c e sm a yh a v eh i g h e rc a r r i e rm o b i l i t ya n dh i g h e rt w od i e m e n s i o n g a s ( 2 d e g ) d e n s i t yd u et o t h et w oc h a n n e l s m o r e o v e r , t h ed o u b l ec h a n n e l h e t e r o s t r u c t u r ec a nh a v ed i f f e r e n t2 d e gd e n s i t y - c h a n n e lb yc h a n g i n gt h ep a r a m e t e r s a c c o r d i n g l y ，t h e r ei sg r e a tm e a n i n gt oi n v e s t i g a t et h ed o u b l ec h a n n e lh e t e r o s t r u c t u r e m a t e r i a l sa n dh e m t s t h ef o l l o w i n gp a r ti sa b o u tt h em a i nw o r ki nt h ep a p e r ： 1 f i r s t l y ，t h et h e o r y c a l c u l a t i o ni sc a r r i e do u t b yt h e o n e - d i m e n s i o n a l s e l f - c o n s i s t e n ts i m u l a t i o no ft h eb a n dd i a g r a ma n dc a r d e rd i s t r i b u t i o no ft h ed o u b l e c h a n n e la i g a n g a nh e t e r o s t r u c t u r e sw i t hd i f f e r e n tp a r a m e t e r s i ti sp r o v e dt h a tt h e s i m u l a t i o nr e s u l t sa l eu s e f u lb e c a u s et h ee x p e r i m e n tr e s u l t sa r ev e r yc l o s et ot h et h e o r y c a l c u l a t i o nr e s u l t s 2 s i n g l ec h a n n e la n dd o u b l ec h a n n e la 1 g a 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 sw e r e g r o w n n et e s t i n gr e s u l t ss h o wt h a tt h ed o u b l ec h a n n e la i g a n g a nh e t e r o s t r u c t u r e m a t e r i a l sh a v ea9 0 0 dc r y s t a lq u a l i t ya s t h es i n g l ec h a n n e lo n e sb u th i g h e r2 d e g d e n s i t ya n db e t t e re l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa th i g ht e m p e r a t u r e 3 t h ed o u b l ec h a n n e la i g a 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 sw i t hd i f f e r e n td o p i n g c o n c e n t r a t i o ni nb a r r i e rl a y e r sw e r ed e s i g n e da n dg r o w n t h er e s u l t ss h o wt h a ts u i t a b l e d o p i n gc o n c e n t r a t i o ni nt h eb a r r i e rl a y e rc a ni m p r o v et h ec r y s t a lq u a l i t ya n d e l e c t r i c a l c h a r a c t e r i s t i c s h o w e v e r , o v e r t o pd o p i n gc o n c e n t r a t i o nm a yi n d u c ew o r s eq u a l i t ya n d c h a r a c t e r i s t i c s 4 n ed o u b l ec h a n n e la i g a n g a nh e m t sw i t hn od o p i n ga n dg r a d i n ga i c o m p o s i t i o ni nt h es e c o n da i g a nb a r r i e rl a y e rw a sf a b r i c a t e d n l ew h o l ee p i t a x i a l w a f e rw a sd e v i d e di n t of o u ra r e a sw i t hd i f f e r e n td e p t ho fr e c e s s e dg a t e w es t u d i e d t h e s ed e v i c e s p e r f o r m a n c eo fb r e a k d o w nv o l t a g ea n dd cc h a r a c t e r i s t i c s 1 1 1 er e s u l t s s h o wt h er e c e s s e dg a t es t r u c t u r e sc a l lh e i g h t e nt h eb r e a k d o w nv o l t a g e 5 w ed e v e l o p e dn o v e ld o u b l e - c h a n n e la i g a n g a nh e m td e v i c e sw i t hnd o p i n g i v 双沟道a i g a n g a n 异质结构材料与器件研究 i nt h es e c o n db a r r i e rl a y e r t h et e s tr e s u l t ss h o w e dt h a tt h i sk i n do fd e v i c e sh a v eg r e a t a d v a n t a g e sa le n h a n c i n gt h ec u r r e n td e n s i t ya n dr e d u c i n gt h eo h mc o n t a c tr e s i s t a n c e o u rd e v i c e se x h i b i t e de x c e l l e n td cc h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha sa l lr co f0 0 4 9 5 q m m a n d i d m a xo f2 a r a m , w h i c hi sb e t t e rt h a nt h eb e s tr e s u l t sr e p o r t e di n t e r n a t i o n a l l y 6 t h ec u r r e n tc o l l a p s ei nd o u b l ec h a n n e la l g a n g a nh e m tw a ss t u d i e d t h e r e s u l t ss h o w e do b v i o u sd e c l i n eo ft h eo u t p u tc u r r e n tw h e nt h ed e v i c ew a so n s t a t e ， w h i c hi n d i c a t e dt h et r a p si l e a l t h ec h a n n e l sw e r et h em o s tp o s s i b l ef a c t o r so ft h ec u r r e n t c o l l a p s e k e y w o r d s ：a i g a n g a n , h e t e r o s t r u c t u r e , d o u b l ec h a n n e l ，h i g he l e c t r o nm o b i l i t y t r a n s i s t o rf f m m t ) 第一章绪论 第一章绪论 在半导体科学与技术的发展中，一般称s i 、g e 为第一代半导体材料，称g a a s 、 i n p 、i n a s 、g a p 及其合金为第二代半导体材料。随着半导体材料的发展，近年来， 以族氮化物、s i c 、金刚石和z n o 为代表的宽禁带( e g 2 3 e v ) 半导体材料发展 非常迅速，被称为第三代半导体材料。本章讨论g a n 基异质结材料和h e m t 器件 的研究背景及意义。 1 1g a n 及其异质结材料的研究背景 1 1 ig a n 基半导体材料的特性与优势 硅和砷化镓曾是影响深远，且有着十分广泛应用的半导体材料，但他们有着 本质的弱点窄禁带( s i 约1 1 e v 、g a a s 约1 4 e v ) ，并且硅为间接带隙半导体， 这些弱点会对其器件的某些性能造成严重的制约。窄禁带使得它们只能局限在长 波长且非常狭窄的光谱范围；同时，价带中电子容易因熟激发进入导带，所以无 法适应高温高功率的应用要求；另外，间接带隙会阻碍其有效发光。区别于以上 两代半导体材料，宽禁带的直接带隙半导体材料便脱颖而出，成为研究热点。 表1 1 几种重要半导体材料的参数对比 s ig a a s6 h s i cg a n 禁带宽度磁e v ) 1 1 l1 4 33 o3 4 相对介电常数1 1 41 3 1l o o9 8 击穿电场岛 6 x 1 0 56 5 1 0 53 5 1 0 65 1 0 6 ( v c m 1 ) 电子饱和速度 1 1 0 72 , 1 5 0 0 c m 2 s ) ，同时有很高的峰值电子速率和饱和电子速率， 可制成高电子迁移率晶体管( h e m t ) 。近十几年来，a i g a n g a nh e m t s 一直备 受关注且成为研究热点，同时关于g a n 基h e m t 的研究也取得了长足的进展1 6 】。 1 1 2c r a n 材料的研究历程 由于g a n 晶体熔点高达2 3 0 0 ，但其分解点在9 0 0 左右，所以传统的制备 s i 材料的标准方法不适合生长g a n 单晶。而在二十世纪四十年代，就有人尝试将 n h 3 通过热的g a 表面合成小的g a n 粉末 7 1 。g r i m m e i s s 等用同样的方法得到了 g a n 的小晶体【引。后又有反应溅射法生长薄膜【9 】以及高压生长【1 0 】等技术。而第一次 生成大面积的g a n 是1 9 6 9 年由m a m s k a 和t i e t j e n 采用了化学气相淀积方法( c v d ) 在蓝宝石衬底上得到的【j 。也正是通过这个薄膜第一次精确测得了c r a n 材料为直 第一章绪论 3 接待隙半导体。 1 9 8 1 年y o h k i 等人【1 2 】提出了用( 0 0 0 1 ) 蓝宝石基片作为晶体g a n 外延的衬 底衬料。然而由于蓝宝石与g a n 之间存在较大的晶格失配和热失配，所以一直无 法得到表面光滑无裂纹的g a n 外延薄膜【1 3 1 4 】。 1 9 8 3 年s y 0 s h i d a 等人【1 5 】提出了在外延层与衬底之间加入a i n 缓冲层将有助 于提高外延薄膜的电学和光学特性。 1 9 8 6 年h a m a n o 等人【1 6 】利用m o c v d 方法采用a i n 缓冲层在( 0 0 0 1 ) 蓝宝 石衬底上成功地生长表面光滑无裂纹的g a n 单晶外延层。 1 9 9 1 年s n a k a m u r a 等人利用自主设计的m o c v d 反应室【1 7 】和生长系统制造 出第一只q i n 蓝光发光二极管【1 8 1 。1 9 9 3 年便出现了第一只g a n 蓝光发光二极管 的商业产品。此后g a n 材料与器件研究成为化合物半导体领域的研究热点，得到 了快速的发展。g a n 光电器件( 以c r a n 蓝光l e d 为主) 成功进入市场以后，由 于g a n 出色的电学特性，g a n 电子器件特别是微波功率器件很快成为人们的研究 热点。 ：， ， 1 9 9 3 年m a k h a n 等人制造出第一只g a n 场效应晶体管，g a nm e s f z t 【1 9 】， 同年他们也报道了第一只g a nm i s f e t 2 0 1 。第一只g a nm e s f e t 采用l p m o c v d 和薄a i n 成核层在蓝宝石衬底上生长的6 0 0 n m 厚的无意识掺杂r 1 g a n 层作为晶体 管沟道，掺杂浓度和迁移率分别为l x l 0 1 7 c m o 和3 5 0 c m 2 n s 。栅长为4 9 r n 的该器件 获得了1 7 5 r n a m m 的最大电流密度和2 3 m s m m 的峰值跨导。 对于g a nm e s f e t 和g a nm i s f e t 器件，均以n g a n 层作为导电层，最初由 于外延工艺的问题g a n 外延层中存在较高的缺陷密度，同时由于杂质c 和o 分别 引入的受主和施主杂质之间的补偿产生大量的电离杂质，因此室温下g - a n 外延层 的迁移率总是不高。为了提高导电性，增加n 型掺杂产生高浓度电子的同时迁移 率会降得更低，因此无法获得较高的功率密度和频率特性。由于上述原因，g a n m e s f e t 和m i s f e t 没有引起人们太大的关注。与此同时，a i g a n g a n 异质结材 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 异质结材料的生长和a l q 烈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 2g a n 基h e m t 器件的研究进展及本论文的研究意义 1 2 1a 1 g a n g a n 异质结材料与h e m t 器件发展历程及研究现状 k h a n 等人于1 9 9 2 年在蓝宝石衬底上制造出具有二维电子气( 2 d e g ) 的 a i g a n g a n 异质结材料，并利用s d h 量子霍尔效应证实了a i ( a n g a n 界面二维 4 双沟道a i g a n g a n 异质结构材料与器件研究 电子气( 2 d e g ) 的存在【2 1 1 。该a i g a n g a n 异质结2 d e g 的室温迁移率为8 3 4 c m 2 n s ， 7 7 k 迁移率为2 6 2 6 c m 2 n s 。室温2 d e g 密度为1 1 0 1 1c m 2 。 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 i 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 e m 2 n s 2 1 1 ；1 9 9 5 年，低温迁移率达到5 0 0 0 c m 2 n s l 2 2 ；1 9 9 6 年，低温迁移率提 高到5 7 0 0 c m 2 v s l 2 3 】；1 9 9 9 年，低温迁移率提高到1 0 3 0 0 c m 2 n s l 2 4 。此后蓝宝石衬 底a i g a n c j a n 异质结2 d e g 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 1 5 0 0 c m 2 v s 之间。 由于s i c 衬底与g a n 之间的晶格失配较小，s i c 衬底上的a i g a n g a n 单异质 结比蓝宝石衬底上的单异质结的2 d e g 迁移率高些。1 9 9 9 年，低温2 d e g 迁移率 已经达到110 0 0 c m 2 n s l 2 习；目前最高2 d e g 低温( 10 k ) 迁移率为2 8 0 0 0 c m 2 v s 。s i c 衬底a i g a n g a n 的室温迁移率通常在1 0 0 0 2 0 0 0 c m 2 n 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 nf i e m t 器件的性能 也得到了不断的提高 2 6 - 捌。1 9 9 9 年c o n e l l 大学的j o h nz o l p e r 博士研制出功率密度 达到1 1 7 w m 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【3 1 】。2 0 0 1 年v i n a y a k 1 r i l a l 【等人制造的s i c 衬底a 1 g a n g a _ nh e m t 器件获得了1 0 7 w m m 1 0 g i - i z | 3 2 1 和6 6 w m m 2 0 g h z 的功率密度【3 3 】。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 1 g a n g a n h e m t 器件】；同年，r fm i c r od e v i c e s 的v e t u r yr 等人报道了a i g a n g a nh e m t 的功率密度为2 2 7 w r a m , 2 1 4 g h z 的【”】，其输出功率附加效率( p o w e ra d d e r e f f i c i e n c y , p a e ) 达到5 4 ；r o c k w e l ls 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1 0 0 r i m 的a i g a n g a nh e m t s 器件【3 6 1 ，在饱和电流为1 5 a r a m 时，跨导为 3 5 0 m s r a m ，截至频率f ：r 为1 5 2 g h z ，其最大振荡频率f m a ) 【为1 7 3 g h z 。2 0 0 6 年， m a e k a w aa 等人研制出5 0 0 w 的a i g a n g a nh e m t 功率放大器【3 7 】，该放大器由四 个h e m t 芯片组成，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 om 等人报道了功率达到8 0 0 w 的a i g a n g a nh e m t 功率放大器【3 8 】，其工作在2 9 3 3 g h z 时功率附加效率为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最高为7 4 的 a l g a n g a n 玎难t 【”l ，其功率密度2 0 w m m 2 g h z 。 总之，近些年来，随着材料质量和器件工艺的不断进步，a i 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 i 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 r a m 4 g h z 以及单管输出功率2 3 0 w 的记录【柏】。 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。 第一章绪论 1 2 2 双沟道a i g a n g a n 异质结材料与h e m t 器件的研究进展 1 9 9 7 年，z h i f a n gf a n 等人制作了双异质结沟道的a i g a n g a n 调制掺杂场效 应晶体管【4 1 1 ，这个晶体管栅下为双沟道，而源、漏电极是刻槽形式，其栅长采用 1 5 1 7 5 9 i n ，源漏之间的沟道长度为3 1 x r n 。室温下测得该晶体管的最大电流密度为 1 1 0 0 m a m m ，最大跨导为2 7 0 m s m m 。近截止状态下的击穿电压约8 0 v 。 2 0 0 3 年s t e nh e i k m a n 等人用金属有机物化学气相淀积( m o c v d ) 技术制作 了势垒层调制掺杂的八沟道a i o 2 2 g - a o 7 s n g a n 异质结材料1 4 2 】，他们测得的薄层电 子密度达7 7 x1 0 1 3 c m 五，室温下测得的电子迁移率为1 2 0 0 c m 2 n s 。虽然他们通过 霍尔效应测量的结果比较客观，但是也只是限于材料，并没有制作成器件。 2 0 0 5 年，香港科技大学的r o n g m i n gc h u 等人制作了双沟道的a i g a n g a n h e m t 4 3 1 ，该器件无论是直流还是交流条件下都表现出很明显的双沟道特点。 2 0 0 8 年，s k j l l a m 】等人采用m o c v d 技术在蓝宝石衬底上外延了 a l g a n q i n a l g a n g a n 双沟道h e m t ，并在8 0 k 3 0 0 k 的温度区间测量了其低频 噪声特性。其室温下h o o g e 参数为1 6 1 0 一。 2 0 0 9 年，国内河北半导体研究所报导了他们制作的a l l n n a i n g a n a i n g a n 双沟道异质结构【4 5 1 ，其电子迁移率为1 5 7 0 c m 2 n s ( 远大于与其对应的单异质结构 的电子迁移率1 0 9 0 c m 2 n s ) ，薄层电阻为2 2 2 f 2 口。 总之，近十几年来，一些研究者已经尝试了不同的双( 多) 沟道结构，并得 到了一些不错的结果，尤其是在增加电子迁移率1 4 5 1 、减小电流崩塌【4 3 】和提高击穿 电压【4 1 】等方面。但不得不提的是，与传统的单沟道a i g a n g a nh e m t 相比，双( 多) 沟道结构不管是研究还是应用都还很不成熟，有许多需要优化和改进的地方，本 文就是基于这些基础上所做研究的。 1 3 本论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点项目( 批准号：6 0 7 3 6 0 3 3 ) 和国家 自然科学基金重大项目( 批准号：6 0 8 9 0 1 9 1 ) 等的支持下对双沟道a i g a n g a n 异 质结构进行的研究。本论文首先通过对不同层结构参数的双沟道a i g a n g a n 异质 结构进行一维薛定谔泊松方程自洽求解，仿真得到各种结构的能带图和载流子分 布曲线，再利用理论仿真结果设计并外延生长出不同的双沟道a 1 g a n g a n 异质结 构材料，并利用各种表征手段对材料特性进行对比研究。最后将外延材料制备成 器件，并研究双沟道a i g a n g a nh e m t 器件的性能。 论文具体的章节安排如下： 第一章为绪论，简要介绍了g a n 基材料的优势，以及g a n 基h e m t 器件的 6 双沟道a i g a n g a n 异质结构材料与器件研究 研究进展，概述了双沟道a i g a n g a n 异质结构的研究现状，并说明了研究双沟道 a i g a n g a n 异质结构的意义。 第二章介绍了双沟道g a n 基h e m t 的相关理论基础，以及自洽求解一维薛定 谔泊松方程来得到不同双沟道g a n 基h e m t 结构的能带和载流子分布模拟结果。 第三章介绍了双沟道a 1 g a n g a n 异质结构材料的生长以及表征方法。利用 m o c v d 技术外延生长不同结构的双沟道a i g a n g a n 异质结材料，并通过各种材 料表征手段来分析对比不同结构的材料。 第四章研究双沟道a i g a n g a nh e m t 器件。将外延生长好的双沟道 a i g a n g a n 异质结材料通过特殊工艺制备成具有不同槽栅深度的器件，测量分析 器件性能。 第五章为本文结论。 第二章双沟道g a n 异质结的仿真与设计研究 第二章双沟道g a n 异质结的仿真与设计研究 通过求解一维薛定谔泊松方程可以得到a i g a n g a n 异质结的能带图和载流 子分布曲线。本章介绍g - a n 基异质结的理论基础，以及求解一维薛定谔泊松方程 的数学物理模型和边界条件，并用理论仿真结果来指导实验参数的选取。 2 1g a n 基异质结特性 2 1 1 i h 族氮化物异质结能带结构特性 半导体异质结的形成依赖于形成异质结的不同半导体材料禁带位置以及结构 的相对关系。要形成理想的半导体异质结，不但要满足禁带宽度的要求，还要选 择晶格失配小的材料。在元素半导体和二元化合物半导体中比较难找到晶格匹配 十分理想的异质结对，而三元半导体化合物比较适合形成异质结，因为半导体的 三元合金的晶格常数和组分一般有线性关系，所以可用调节合金中各元素组分的 方法来选择合适的异质结对。这里讨论i i i 族氮化物形成的异质结。 h 一躺a 图2 1 l 族氮化物的能带关系示意图 图2 1 给出了三种i i i 族氮化物( i n n 、g a n 和a l n ) 的能带关系。从图2 1 中 可以看出，不论是a l x g a l x n g a n 异质结还是i n x g a l x n g a n 异质结，形成的异质 结都有较大的导带断续。 这里主要讨论a l x g a l x n g a n 异质结，其中x 为a l 组分，a i x g a l _ x n 与g a n 之间导带断续e c 和价带断续e v 与a l 组份x 有关。室温下，a l x g a l x n 的禁带 宽度e g ( x ) 与a l 组份工的关系可以描述为： 双沟道a i g a n g a n 异质结构材料与器件研究 也( 功= 6 2 x + ( 1 一x ) 3 4 一x ( 1 一力 导带不连续性e c 可以描述为 4 6 , 4 7 ： 必( 工) = 0 t i l 一乓( o ) 】 诅( x ) = o 3 【乓( x ) 一e s ( o ) 】 式( 2 1 ) 式( 2 - 2 ) 式( 2 3 ) 从式( 2 1 ) 中可以看到，室温下，随着a 1 组份x 的增大，a l x g a l x n 的禁带 宽度e g ( x ) 也逐渐增大，从而使得导带断续e c 也逐渐变大。较大的导带断续使得 a l x g a l x n g a n 异质结能带中形成非常深的量子阱，在该量子阱中，载流子沿着异 质结界面的法线方向上的运动受到约束，而在与异质结界面平行的方向上的运动 不受约束，这样就在量子阱中形成了二维电子气( 2 d e g ) 。通过对a l 。g a l x n q i n 异质结导带断续的计算，人们发现，相同a l 组份时，a i g a n g - a n 异质结的导带断 续和价带断续均远大于a i g a a s g a a s 异质结f 4 8 】。这也是即使不掺杂， a i x g - a i , , n g a n 异质结的2 d e g 密度就很高的原因。同时，2 d e g 主要分布在该量 子阱中，由于量子阱对2 d e g 的限域作用( 量子限域效应) ，大大减少了材料中 各种散射机制对载流子迁移率的不利影响，因此a l x g a l x n q 州异质结会有非常高 的2 d e g 迁移率。 2 1 2a l x g a l x n i g a n 异质结构的极化性质 前文已经提到，a l x g a l _ x n g a n 异质结中的2 d e g 主要来源于极化效应，即使 所有的层结构中都不做掺杂，仍可以在异质结界面得到很高密度的2 d e g l 4 9 s 4 。这 区别于传统的a 1 g a a s g a a s 异质结构，在a i g a a s g a a s 异质结构中常需要做调制 掺杂，其2 d e g 也是来源于施主掺杂。 a l x g a l x n g a n 异质结的极化效应又分为自发极化和压电极化两种。自发极化 ( s p o n t a n e o u sp o l a r i z a t i o n ：s p ) 是在异质结界面上零应变时，来源于生长面静电荷 的一种极化；而压电极化( p i e z o e l e c t r i cp o l a r i z a t i o n ；p e ) 来源于异质结中晶格常数 的失配，所以当界面应力增加时压电极化也会增加。这两种极化效应在氮基 h e m t s 中占有很重要的地位。a i g a n 和g a n 层之间的自发和压电极化的不同决定 了这两种材料界面处固定的二维电荷密度。极化的差别引起了界面处的正电荷以 及由这些正电荷吸引的电子。电子在界面处堆积从而形成了导电沟道。由界面电 荷导致的高电场强度也对形成一个大的沟道密度和强的沟道束缚起辅助作用。此 外，高场强也抵消了由离化施主带来的空位电荷。 但是极化效应也会因为器件特性不同而不同，而器件特性是由异质结构的终 止面决定的。g - a n 常生长在蓝宝石衬底上，所以它形成六角形结构，也就是纤锌 第二章双沟道g a n 异质结的仿真与设计研究 9 矿结构。在通常的生长晶向( 0 0 0 1 ) 或( 0 0 0 1 ) 上，原子按双分子层排列。双分 子层是由两个间距很小的六角层组成，一个由阳离子( g a 原子) 组成，另一个由 阴离子( n 原子) 组成。如果表面有( 0 0 0 1 ) 极性，则 0 0 0 1 ) 面顶层位置只有g a 原子，我们称之为g a 面。相反的，( 0 0 0 1 ) 极性则只有n 原子在表面，称为n 面。g - a n 的g a 面和n 面表面是不等价的，而且在化学和物理特性方面也不同。 用m o c v d 法长在蓝宝石衬底上的a i g a n g a n 通常是g a 面，m o c v d 法也可以 生长n 面，但需要比较特殊的生长方法。 a i g a n g a n 的极化主要有：压电极化和a i g a n 与g a n 之间的自发极化之差。 如果极化向量p 在空间中发生变化，就会产生极化诱生电荷，佛2 v 一。虽然， 改变合金组分，界面粗糙度，或者应变分布都会改变极化诱生的电荷层密度的局 部分布，但是，整个界面区域中与极化电荷有关的总的电荷层密度是几乎不变的。 如果极化诱生的电荷层密度是正值( + 矿) ，就会出现自由电子去补偿极化诱生电荷 s f l 。这些电子形成了2 d e g ，面电子密度为n s ，并且假设a i g a n g a n 的导带不连 续很大，界面粗糙度很低。负的电荷密度就会导致了空穴在界面加速。目前都一 致认为2 d e g 出现在g a n a i g a n ( + o ) 界面上，a i g a n g a n ( - - - o ) 界面下。 为了计算突变a i g a n g a n 异质结界面的极化面电荷量，我们需要知道a i g a n 层的物理参数。可以通过在g a n 和a i n 的物理参数之间进行线性插值来得到 a l x ( h 1 x n 层的下列参数【5 6 】：其中x 为a l 。g a l ，【n 势垒中的铝组分。 晶格常数： 口( 功= ( - o 0 0 7 7 x + 3 1 8 9 ) a式( 2 _ 4 ) c 0 ) = ( - o 0 2 0 5 + o 5 1 s 5 ) a式( 2 5 ) 弹性常数： c 1 3 = ( 5 x + 1 0 3 ) g p a 式( 2 6 ) c s s = ( - 3 2 x + 4 0 5 ) g p a 式( 2 7 ) 压电系数： 色l = 1 1 x 一0 4 9 ) c m 2 式( 2 - 8 ) 岛3 = ( 0 7 3 x + 0 7 3 ) c m 2 式( 2 - 9 ) 自发极化强度： 珞= 0 5 2 x - 0 0 2 9 ) c m 2 式( 2 1 0 ) 非掺杂的g a 面突变a i g a n g a n 异质结界面的极化诱生电荷层密度总和为： l o 双沟道a i g a n g a n 异质结构材料与器件研究 i o - ( x ) i = i e 户a a l g , , i 。忉+ 名( 以g 忉一名( 国 7 ) i 式( 2 - i i ) p 酬= 1 2 a ( o 口) l - 别 - a ( x ) e 3 , 一岛s 嚣) + 岛( x ) 一岛( 叫 式( 2 1 2 ) 增加势垒层的a i 组分，a l x g a l x n 的自发极化强度和压电极化强度也增大。由 a i x g a l x n 和g a n 总极化诱生的电荷层密度也近似线性变化。 图2 2 给出了g a 面、n 面a i i g a lx n g a n 异质结在拉伸、压缩和驰豫情况下 的自发和压电极化的方向，界面处自发极化和压电极化互相加强或减弱。 晶体结构的突变引起极化电荷的积累，如果极化诱生的薄层电荷为正，那么 自由电子将倾向于补偿这些极化诱生电荷【5 刀，若异质结能带弯曲产生的势垒足够 高，且界面状况良好，那么这些补偿电子将被限制在一个很薄的势阱中运动，形 成二维电子气( 2 d e g ) ；反之，如果界面极化诱生薄层电荷为负，则引起带正电 荷的空穴来补偿极化诱生电荷，从而在界面位置积累形成二维空穴气( 2 d h g ) 。 口 + 仃 g a - f a c e n - f a c e p s p9 u u i u 、 r e l a x e d g a n p 强 r e l a x e d s u b s t r a t e ( a ) p s p 耽9 p s p s u b s 仃a t e ( b ) k n si l es t r a i n+ 硒p 虹6 g a n + p 孵 r e l a x e d s u b s g a t e 图2 2g a 面、n 面a i g a n g a n 异质结中自发极化和压电极化方向及极化电荷瞪叼 对于g a ( a 1 ) 面a i g a n g a n 异质结，极化诱生电荷为正。如图2 2 ( a ) 示，即使 在a i g a n 层驰豫情况下( a i g a n 层厚度大于6 5 r i m ，此时没有压电极化) ，由于两种 材料自发极化强弱的不同也会有极化诱生电荷，从而引起电子在界面的积累。图 第二章双沟道g a n 异质结的仿真与设计研究 1 1 2 2 ( b ) q ha 1 g a n 层由于晶格拉伸受到张应力，此时压电效应将加深a i g a n 层与g a n 层之间的极化效应之差，使p ( a i g a n ) p ( g a n ) 得到加强，得到电子在界面处的积累。 图2 2 ( d ) 、( e ) 为n 面a i g a n g a n 异质结材料，自发极化和压电极化均与g h 面结 构反向，极化诱生电荷为负，空穴在界面处积累。如果g a n 生长在a i g a n 上，两 种极化效应反向，但由于强度不同，同样可产生界面诱生电荷，是否有2 d e g 生 成，需视情况而定，如图2 2 ( c ) 、( f ) 所示。 目前，生长a i g a n g a n 异质结材料的方法以m o c v d 法居多，且大多数的 a i g a n 删异质结材料的表面为g a 面，这种结构中，正的极化电荷位于 a l g a n 删异质结界面，负的极化电荷将位于a i g a n 层的顶部。正极化电荷需要 电子来补偿，因此在a i g a n g a n 异质结界面形成二维电子气。位于a i g a n 层顶 部的负极化电荷需要有大量正的表面电荷来补偿。在这一过程中