调制掺杂ZnMgOZnO异质结构中的二维电子气.docx

138材料导报B：研究篇2014年7月(下)第28卷第7期调制掺杂ZnMgOZnO异质结构中的二维电子气+ 周远明，钟才，梅菲，刘凌云，徐进霞，王远，张冉 (湖北工业大学电气与电子工程学院，武汉430068)摘要 基于调制掺杂的ZnMgOZnO异质结构模型，通过自洽求解一维泊松一薛定谔方程，研究了掺杂浓度、 空间层厚度对ZnMgOZnO异质界面处二维电子气(2DEG)的分布、面密度等性质的影响。结果表明：ZnO沟道中的 二维电子气主要来源于极化效应诱生的电子和掺杂层转移的电子，通过改变掺杂浓度和空间层厚度可以有效地调控 异质结中的二维电子气。采取的研究方法和所得结果可以为ZnO基异质结构及相关器件的构筑提供基础。关键词 ZnMgOZnO异质结二维电子气调制掺杂中图分类号：TN303；0472 文献标识码：AThe Two-dimensional Electron Gas in Modulation-doped ZnMgOZnOHeterostructureZHOU Yuanming，ZHONG Cai，MEI Fei，LIU Lingyun，XU Jinxia，WANG Yuan，ZHANG Ran(School of Electrical&Electronic Engineering，Hubei University of Technology，Wuhan 430068)Abstract Based on the model of modulation-doped ZnMgOZnO heterostructure,the distribution and the sheet concentration of two-dimensional electron gas(2DEG)in heterointerface for different structural parameters were stu- died by solving the one-dimensional Poisson-Schr6dinger equations self-consistentlyThe influence of the doping con centration and the spacer layer were investigated separatelyThe results indicated that the 2DEG in the channel layer consists of the electrons induced by the polarization effect and the electrons supplied by the doping layer，and thus can be controlled effectively by changing the thickness of the spacer layer and the doping concentrationThe method and the results provides an important basis for the fabrication of ZnO-based structures and related devicesKey wordsZnMgOZnO heterostructure，two-dimensional electron gas，modulation-dopedZnO因宽带隙、高饱和电子漂移速率和高击穿场强等优 垒层中结构位错和缺陷的密度增大，二维电子气的迁移率大 越电子性能而受到了广泛的关注，是继族氮化物之后发展 大降低。为了获得高电子迁移率的2DEG，可以采取A1一 高频、高功率和高温微电子器件和光电子器件的优选材料。 GaAsGaAs、InGaAsInP、AlGaNGaN等异质结构中广泛 由于Zn0(337 eV)和MgO(76 eV)的带隙相差悬殊，在异 使用的调制掺杂技术11,12：控制突变异质结两边的掺杂状 质界面处导带存在巨大的能带偏移(Band offset)，可形成一 况，在窄能隙一边的Zn0沟道中不掺杂(即为本征半导体)， 个很深的三角形量子阱。此外，自发极化和压电极化所产生 而在宽能隙一边的ZnMgO势垒中掺入施主杂质Al，使电子 的极化电场在ZnMgOZnO异质界面处感生出高浓度的极 和散射中心在空间上分离。空间层的引入使电子和散射中 化电荷，从而对异质结构的能带产生调控进而影响相关结构 心在空间上进一步分离，从而极大地提高ZnO沟道层中 与器件的性能12。基于巨大能带偏移和强极化诱导作用， 2DEG的迁移率，故又称这些电子为高迁移率2DEG，有望用 即使不掺杂，ZnO基异质界面也可感生浓度高达约1013 cm_2 于制备性能优良的高电子迁移率晶体管(High electron mo- 的二维电子气(Two-dimensional electron gas，2DEG)。 bility transistor，HEMT)。高质量的ZnMgOZnO异质结构通常采用分子束外延 鉴于目前关于调制掺杂ZnMgOZnO异质结的报道较 技术(MBE)和脉冲激光沉积技术(PLD)制备，在低温下可观 少13“，为了促进人们对ZnMgOZnO异质结2DEG的认识 察到量子霍尔效应和Shubnikov-de Hass(SdH)振荡，证实了 及相关电子器件的研发，本研究基于调制掺杂的Zn面Zn- 异质界面处2DEG的存在3_1 0|。输运实验结果表明，随着 MgOZnO异质结构模型，通过自洽求解一维泊松一薛定谔方 Mg组分的增大，二维电子气浓度增大，起源于导带偏移增大 程，分析了掺杂浓度、空间层厚度对ZnMgOZnO异质界面 和极化效应增强。然而，Mg组分的增大导致ZnMgO势垒 二维电子气(2DEG)的分布、面密度等性质的影响，并对计算 层和ZnO沟道层之间较大的晶格失配度，从而使ZnMgO势 结果进行了分析讨论。*国家自然科学基金(11304092)；湖北省教育厅科学研究计划项目(Q20131404)；湖北省科技厅自然科学基金(2013CFl3028) 周远明：男，1984年生，博士，讲师，硕士生导师，从事半导体材料与器件研究E-mail：zhouymmailhbuteducn万方数据调制掺杂ZnMgOZnO异质结构中的二维电子气周远明等 139 1 调制掺杂压删ZIo异质结构模型与计算 兰(e兰)(z)一一qNd一，2(2) (2)未掺杂Zn面ZnMgOZnO异质结如图1(a)所示，器件 式中：e(z)一85+13x为Zn。一。MO的相对介电常数， 模拟时设定Zn0层厚度为1“m，完全弛豫，Zn。一。MgrO(z为 击(z)为静电势，N。为掺杂浓度，九(z)为电子浓度。Zn卜， Mg组分)势垒层厚度为(40+d)nm，完全应变。ZnO层无 Mg。OZnO异质界面处的导带不连续值(导带偏移)设定为 应变存在，仅有白发极化P留(ZnO)，方向指向衬底；ZnMgO Ec(z)=355x eV。本研究采用Gerg Snider的1D Pois 势垒层中自发极化P留(ZnMgO)方向与P孽(ZnO)相同，由于 sonschr6dinger软件求解一维泊松一薛定谔方程得到Zn ZnMgO处于压应变状态，压电极化PPE(ZnMgO)方向反平 MgOZnO异质结中二维电子气的分布、面密度等基本性质， 行于自发极化。ZnMgOZnO异质界面两边的极化强度不连 分析了空间层厚度d、掺杂浓度N。对二维电子气的影响。 续导致界面处感生正的极化电荷，其面密度可以表示为盯一 计算过程中设定温度T=300 K，Mg组分x=03，表面肖特0029x Cm22“J ，电子被吸引至异质界面处聚集形成二维 基势垒高度P仇一15 eV。电子气(2DEG)。在未掺杂异质结中，2DEG主要来源于极 2结果与讨论化效应诱生的电子。21空间层厚度对二维电子气的影响(a)(b)znMgO帽层图2为不同掺杂浓度Na时，2DEG面密度Ns随空间层20 rim厚度d的变化关系。从图2中可以看出，当异质结未掺杂时ZnMgO势垒层ZnMgO掺杂层(N。一0)，2DEG面密度N。随着空间层厚度d的增加而增(40+d)nm 20 rim大，d=0时的2DEG面密度Ns一4591012 cm，而d一20ZnMgO空间层nm时的2DEG面密度NS增大至4851012 cm；当异质dnm结调制掺杂时(Nd一11018 em3)，2DEG面密度Ns随着空ZnOZnO间层厚度d的增加而减小，d=0时的2DEG面密度Ns一61 um1 Ixm1012 cm，而d一20 nIn时2DEG面密度减小至Ns一58衬底衬底1012 em。在势垒层总厚度(40+d)相同的情况下，ZnMgO图1未掺杂Zn面znMgOZnO异质结示意图(a)和调制掺杂层施主电离可以为Zno沟道输送附加的电子，从而使掺杂Zn面ZnMgOZnO异质结示意图(b) 2DEG面密度Ns明显增大。因此，除了异质结自身的极化 Fig1 Schematics of the undopell Zn-face ZnMgoZnO效应诱生的电子(标记为Ns)，掺杂层向ZnO沟道转移的电 heterostructure(a)and the modulation-doped Zn-face 子也是2DEG的重要来源(标记为N。”)。从图2中可以估算 ZnMgOznO heterostructure(b) 出极化效应和调制掺杂对二维电子气的贡献，在d=O的情况 调制掺杂的Zn面ZnMgOZnO异质结如图1(b)所示，下，当异质结未掺杂时(Ndo)，2DEG面密度Ns一459 为方便与上述未掺杂器件做对比研究，器件模拟时设定ZnO 1012 em-2(即Ns=4591012 em-2)；当Nd一11018 cm_3 层厚度为1肛m，完全弛豫，Zn。一。M0势垒层完全应变，总 时，2DEG面密度Ns一61012 cm。由此可以得到，调制掺 厚度为(40+d)nm，其中Znl一，MO帽层厚度为20 nlTl，调杂对2DEG面密度的贡献Ns”一NsN。=14110” 制掺杂层厚度为20 nm(掺杂浓度为N。，室温下完全电离，且 cm，即Nd=11018 cm3时，极化效应对二维电子气的贡假设掺杂不会改变ZnMgO势垒层中的极化效应)，空间层厚 献略高于调制掺杂的贡献，但为同一数量级。当空间层厚度度为d，掺杂浓度Na和空间层厚度d可调。异质界面处感 d增大至20 nm时，由于表面态电子逐渐发射10,15，极化效生的极化电荷面密度仍然为d一0029x Cm2，电子被吸引 应导致的2DEG面密度Ns增大至4851012 em，而调制 至异质界面处，此外施主电离产生的电子在肖特基势的作用 掺杂导致的2DEG面密度Ns”减小至0951012 cm，这起 下从掺杂层转移到ZnO沟道中。在调制掺杂异质结构中， 源于空间层对掺杂层电子转移的阻碍。图2中2DEG总面2DEG有2个主要来源：由极化效应诱生的电子和由ZnMgO 密度Ns的变化趋势是极化效应和调制掺杂相互竞争的结掺杂层转移的电子。果，2DEG总面密度N。随着空间层厚度d的增加而减小，表 通过自洽求解一维泊松一薛定谔方程(Poisson- 明因极化效应增多的电子数小于因空间层阻碍掺杂层电子 Schr6dinger equations)，可以获得ZnMgOZnO异质结的导转移而减少的电子数，当空间层厚度d从0 nm增大至20 nm 带轮廓图(所有能级都是相对费米能级EF而言)和二维电子时，极化效应的贡献增大了0261012 em，调制掺杂的贡 气竹(2)的分布。一维薛定谔方程表示为：献减小了04610”cm。改变表面肖特基势垒高度，可以 广oJ2 同时改变极化效应和调制掺杂对2DEG的贡献，从而改变二l一辛壶+V(z)l沙(z)一EC(z)(1)L厶加uz _J。维电子气总面密度NS及其随空间层厚度d的变化趋势，例式中：m一024m。(m。为自由电子质量)，2为异质结生长 如在P仇=25 eV的情况下，当d一0时，2DEG总面密度 方向，V(z)为电子势能，E和妒(z)分别为电子能量和波函 Ns一4841012 em，当d一20 nm时，2DEG总面密度Ns 数。一维泊松方程表示为： 增大至5021012 cm，表明此时因极化效应增多的电子数万方数据140材料导报B：研究篇 2014年7月(下)第28卷第7期大于因空间层阻碍掺杂层电子转移而减少的电子数。 22掺杂浓度对二维电子气的影响 图4为空间层厚度d一10 nlTl时，2DEG面密度小如随掺杂浓度Na的变化关系。图2d不同时2腿G面密度Ns随空间层厚度d的变化关系Fig2 The dependence of the 2DEG sheet concentration(Ns)图4 2DEG面密度Ns随掺杂浓度d的变化关系on the thickness of ZnMgO spacer layer(d)forFig4 The dependence of the 2DEG sheet concentrationdifferent Nd(Ns)on the doping concentration(Nd)图3为调制掺杂ZIl07Mgo30ZnO(d=O，10 am，20 rim)从图4中可以发现，当Nd251018 cm-3时，2DEG面异质结的导带轮廓图和二维电子气分布。密度N。随着掺杂浓度N。的增大近似线性增大，而后随着N。的继续增大，N。的增大趋势变缓，并逐渐达到饱和。 Ndo时(势垒层未掺杂)，2DEG面密度Ns=4741012 cm，当Nd一251018cmq时，2DEG面密度Ns增大至7561012 am，表明掺杂浓度Nd每增大11018 cm-3(考 虑到掺杂层厚度为20 am，可以估算出掺杂贡献的最大2DEG面密度Ns”一21012 cm_2)，2DEG面密度增大约1131012 cm，小于理想值21012 cm。这一变化趋势 可以通过图5中的导带轮廓图和2DEG分布较好地进行解 释：随着掺杂浓度Na的增大，施主电离产生的电子数量增图3不同空间层厚度d时调制掺杂z毗，M鼽。OZnO 多，而这些电子必须跨过一个势垒才能转移到ZnO沟道中，异质结的导带轮廓图和二维电子气分布掺杂层中变深的势阱阻碍掺杂层电子向沟道层转移(当cmlFig3 Conduction band profile and 2DEG distribution in Nd一11018 cm一3时，AE=013 eV，当Nd一251018modulation-doped Zn07M甑30zIIo heterostructure时，AE=065 eV)，使2DEG面密度Ns随掺杂浓度Nd的变化速率小于理想值，在这个过程中掺杂层没有出现电荷积累with different spaeer layer d现象。而当Nd251018 cm3时，掺杂层逐渐开始出现电从图3中可以发现，随着空间层厚度d从0 nm增大至 荷积累，从而使转移电子的相对数量逐渐减少，随着N。增大20 nm，二维电子气峰值浓度从20810”cmq减小至 至l1019 cm，2DEG面密度Ns从7561012 am-2缓慢增19810”CITI；三角形量子阱的深度从0269 eV缓慢减 大至84510”cm，并逐渐趋于饱和。根据模拟结果可以小至0263 eV；-维电子气浓度峰值与异质界面之间的距离 推断：2DEG面密度N。随掺杂浓度Nd的变化趋势取决于势维持在13 am附近。Nd一11018 cm一3时，掺杂层区域形成 垒层中电离施主浓度、势阱深度和电荷积累3种效应的相互一个浅的势阱，随着空间层厚度增大，掺杂层势阱变深，施主 竞争，即随着电离施主浓度Na的增大，掺杂层可以向ZnO电离产生的电子在肖特基势的作用下从掺杂层转移到ZnO 沟道转移的绝对电子数量增多，变深的势阱E阻碍了掺杂 沟道过程中需要跨过更高的势垒(见图3中E)，当d一0 层电子向Zn0沟道的转移，掺杂层电荷积累也会使转移电子 时，势垒高度E为004 eV，当d=20 am时，势垒高度增大 的相对数量减少。至AE=019 eV，表明空间层对掺杂层电子转移的阻碍作用 从图5中还可以观察到，随着掺杂浓度Nd的增大，三角增强。考虑到掺杂层厚度为20 am，当Nd一11018 cml时， 形量子阱加深，从而使电子受到的限制作用增强，电子更加 可以估算出掺杂贡献的最大2DEG面密度Ns”一21012 靠近异质界面：随着掺杂浓度Nd从0 cm-3增大至110” cm。因此可以推断，在本研究讨论的ZnMgOZnO异质结 cm，二维电子气峰值浓度从1510”cm_3增大至33 中，由于掺杂层势阱的存在，掺杂实际贡献的2DEG面密度 1019cm；三角形量子阱的深度从0227 eV增大至0341N。”应小于210挖cm，且随着空间层厚度d的增大而表现 eV，且增大的趋势逐渐变缓；二维电子气浓度峰值与异质界出减小的趋势，这与图2中的模拟结果一致。 面之间的距离从13 nm缓慢减小至1 am。万方数据调制掺杂ZnMgOZnO异质结构中的二维电子气周远明等tion properties of Zn0 and Be0：An ab initio study through the Berry phase and Wannier functions approaches f J-I Phys Rev B，2001，65(1)：0141112Tampo H，Shjbata H，Maejima K，et a1Band profileS of ZnMgOZnO heterostructures confirmed by Kelvin probe force microscopy EJAppl Phys Lett，2009，94(24)：2421073Tampo H，Shibata H，Matsubara K，et a1Two-dimensio- nal electron gas in Zn polar ZnMgOZnO heterostructures grown by radical source molecular beam epitaxyJAppl Phys Lett，2006，89(13)：1321134Tampo H，Shibata H，Maejima K，et a1Polarization-in duced two-dimensional electron gases in ZnMgOZnO he- terostructures I-J-IAppl Phys Lett，2008，93(20)：2021045Tsukazaki Aet a1Quantum hall effect in polar oxide he-terostructures I-JScience，2007，315：13886Tsukazaki A，Ohtomo A，Nakano M，et aL Photoinducedinsulator-to-metal transition in ZnOM9015 Zn085 O heterostructuresJAppl Phys Lett，2008，92(5)：0521057Tsukazaki A，Yuji H，Akasaka S，et a1High electronmobility exceeding 10CITl2V一1s一1 in MgZnl-xOZnO图5不同掺杂浓度d时调制掺杂zno，M甑，oz删O异质 single heterostructures grown by molecular beam epitaxy结的导带轮廓图(a)和二维电子气分布(b) EJ3APPl Phys Express，2008，1(5)：055004Fig5 Conduction band profile(a)and 2DEG distribution8Tsukazaki A，et a1Spin susceptibility and effective mass of(bin modulation-doped Zno7M甑30ZIIo heterostructure two-dimensiollal electrons in MZn卜，OZn0 heterostruc-稍m different doping concentration Nd turesJPhys Rev B，2008，78(23)：2333089 Tsukazaki A，Akasaka S，Nakahara K，et a1Observation3结论of the fractional quantum Hall effect in an o】【ide I-JNatureMater，2010，9(11)：889基于调制掺杂的ZnMgOZnO异质结构模型，通过自洽10 Ye J D，Pannirselvam S，Lim S T，et a1Two-dimensional求解一维泊松一薛定谔方程，研究了掺杂浓度、空间层厚度对electronin Zmpolar heterostructuregas ZnMgOZnOgrownZnMgOZn0异质界面处二维电子气(2DEG)的分布、面密by metal-organic vapor phase epitaxyJAppl Phys Lett，度等性质的影响，并对计算结果进行了分析讨论。随着空间 2010，97(11)：111908层厚度d的增大，极化效应诱生的电子数增多，而掺杂层转1 1 Zheng Zhewei，et a1Study on the subband properties of 移到ZnO沟道的电子数减少，2DEG面密度N。随空间层厚AlxGa,一。NGaN modulation-doped hetero structures EJ 度d的变化趋势是极化效应和调制掺杂相互竞争的结果。Acta Phys Sinica，2004，53(2)：5962DEG面密度Ns随着掺杂浓度Nd的增大首先表现出近似 郑泽伟，等AlxGal-