李斌.论文翻译.1.doc

不同AL含量的AlGaN/GaN异质结材料高温电子传递特性High temperature electron transport properties of AlGaN/GaN heterostructures with different Al-contents 作者：ZHANG ZhongFen, ZHANG JinCheng, XU ZhiHao, DUAN HuanTao & HAO Yue 起止页码：1879-1884；出版日期：Sci China Ser G-Phys Mech Astron，Dec. 2009 ， vol. 52 ， no. 12；出版单位：Springer摘要：不同AL含量的AlGaN/GaN异质结材料高温电子传递特性一直在被研究，室内温度高达680 K。电子迁移率的温度依赖关系已经被系统的测量出来。在680K, Al0.15Ga0.85N/GaN and Al0.40Ga0.60N/GaN异质结材料高温电子传递分别是154 and 。实验发现，在680K, AL含量低的Al0.15Ga0.85N/GaN异质结材料比AL含量高的Al0.40Ga0.60N/GaN 异质结材料电子迁移率少，这种现象，与在室内常温下不一样。强劲的分析表明，在第一个频段即温度为700时，Al0.15Ga0.85N/GaN 和Al0.40Ga0.60N/GaN的电子所占比率分别为 75% 和82%。在整个电子系统中它们所占的二维电子气分别是30%和 将近 60%。这表明二维电子气在油井中受到限制，并且在温度为700 K时，对于AL含量高的AlGaN/GaN 异质结材料，在整个电子系统中，二维电子气占优势；低温时，则相反。所以说，它具有较高的电子转移率。因此，含量高的AlGaN/GaN 异质结材料更适合用在高温度的应用中去。关键字 AlGaN/GaN异质结材料； 高温； 电子传递转移 1. 简介最近，AlGaN/GaN异质结材料受到了很大关注，因为它对高压高能高温的微波应用有巨大潜力。1-10实验表明，AlGaN/GaN 异质结结构场效应晶体管能够在温度高达400K时操作（5-10），但是设备的特性会由于后台带电粒子的增加和二维电子气迁移率的减少而明显退化。（6-8）因此，研究不同AL含量的AlGaN/GaN异质结材料高温电子传递特性是不可避免的，也是很有必要的。很多人对此都做过研究。一些研究结果显示，在温度达到400K的时候，AL含量为15%的AlGaN/GaN 异质结材料的二维电子气迁移率高达（5），而AL含量为22%的大约是（11）。但是，关于Al含量高的AlGaN/GaN 异质结材料的研究很少。本文旨在研究在室内温度（R.T.）到680K高温(H.T.)下，不同含量AL的AlGaN/GaN异质结材料高温电子传递特性，并且，通过计算二维电子气的分布，在不同频段电子所占比率，以及整个电子转移率来系统讨论它们在高温下的转移特性。2. 实验 通过金属有机物化学气相沉积将三个样本应该种植在c-plane蓝宝石衬底，作为氢气体载体和triethylgallium(TEGa),trimethylaluminium(TMAl)和氨(NH3)作为源compounds。磊晶成长之前，将衬底置于1050下退火去除表面杂志，随后，在600下生成一层10nm的低温AlN成核层，接着，将石墨基座升温至1020生成一层厚的本征GaN缓冲层，最后生长一层24nm的AlxGa(1-x)N/GaN势垒层。整个过程中反应室压力均维持在40Torr，其中样品的Al组分分别为15%，27%和40%，分别标识为样品A，B和C。之后，每个样品均制备成标准范德保罗（VDP）Hall侧视图形，并在四个接触点上面蒸发Ti(200 )/Al(800 )-/Ti(200 )/Au(1000 ) 金属并在85030 下退火30s形成欧姆接触，采用Accent HL5500霍尔系统在300K至680K间进行测试。3. 实验结果级分析图1为三个样品的电子迁移率和面密度与温度的变化关系，室温下，样品A，B，C的电子迁移率分别为1806,1355和1053cm2/Vs ，面密度分别为0.851013, 1.521013 and 2.281013 cm2,。可以明显看出，室温下，Al组分越高的样品由于合金无序散射的增强使得其迁移率比较低，而面密度由于其导致断续使得其面密度比较高（5.10.12） 从图5.1中可以看出，对于所有的样品，电子迁移率随温度的增加而不断的降低，并且下降速率也随着温度的升高而逐渐降低。这些特性反应在高温段，AlGaN/GaN异质结构2DEG的迁移率主要是受到LO声学波散射的影响作用，与理论预测的一致（5.1-5.4）。另一方面，从图中可以观察出室温至高温段，电子迁移率的下降速率是随着Al组分的增加而降低的，且在680K的高温下，样品A，B，C的电子迁移率分别为154, 170 and 182 cm2/Vs，因此，不难发现，高温下，Al组分越高，电子迁移率越高，反之则相反，与室温下规律恰好相反，这种反差在温度达到更高的时候将会更加的明显。为了说明这种现象，我们给出一种说法，实际上，GaN缓冲层中海残留着少数的以三维方式运动的剩余自由电子以及不可忽视的残余浅施主杂质（5.6-5.9），在高温下，这些浅施主杂质激发而产生了更多的三维运动的自由电子，而恰好是这些激发出来的多余电子，严重的影响了 AlGaN/GaN异质结构的运输特性。所以，在本章的工作中，我们将AlGaN/GaN异质结构的电子体系划分为界面的2DEG和位于AlGaN势垒层和GaN缓冲层中的背景电子（主要是GaN上的），如图2所示。当温度升高时，2DEG面密度有轻微降低，但是背景电子却急剧增加，达到680K的时候，不难看出，对于低Al组分的样品A，背景电子的总比例为全部电子体系的60%，而对于高Al组分的样品C，此比例为40%，因此，在高温下，背景电子的存在，对于AlGaN/GaN异质结构的运输特性有着重要的影响。而总所周知，2DEG的迁移率在不同温度段始终是币背景的三维体电子迁移率大很多的（5.5),因此，在高温下，对于高2DEG密度的样品C，其总的电子迁移率就显得比较高了。4. 详细分析图2 为AlGaN/GaN电子体系的划分示意图,高温下，位于AlGaN势垒层和GaN缓冲层的浅施主杂质所激发出来的自由电子将会进入量子势阱（5.7-5.8），对于2DEG的运输特性造成影响，这些被激发的自由电子称为“三维电子（3DE）”，图2 表明，AlGaN/GaN异质结构所表象出来的电子迁移率应为2DEG的二维迁移率和3DEG的三维迁移率的并联效果，总迁移率可以由式1-1给出 （1-1）为了更深入的研究2DEG密度随温度的变化关系，我们通过自洽的求解一维泊松和薛定谔立方程，得到300K下合700K下的15%，27%，40%Al组分的AlGaN/GaN异质结构的2DEG分布图和电子在子带的占据情况。在求解过程中，主要考虑自发极化和压电极化，其中用到的详细参数以及计算求解步骤在文献（1）中已经给出。图3至5表明了室温下合700K下不同Al组分AlGaN/GaN 异质结构的导带低分布图和2DEG分布图以及子带的占据情况，可以看出，2DEG密度峰值分布在靠近CaN层的AlGaN/GaN界面，40%Al组分的AlGaN/GaN异质结构由于其导带断续最大，因此，不管是在室温下还是在700K下，其获得了最好的2DEG限域性和最高的2DEG密度。在700K下，所有的AlGaN/GaN异质结构均由于导带断续的降低而使得2DEG面密度有所降低，并且2DEG的限域性也被消弱。从子带占据的分布图上可以看出，在700K的高温下，由于电子获得了更高的能量而可以跃迁到更高的能带上，2DEG的分布也扩张到了AlGaN和GaN更深的位置，且可以看出，此扩张主要是在CaN层，电子在第一子带变化较为明显。尽管如此，对所有的异质结构来讲，在高温下，电子在第一子带的比例还是超过70%的，2DEG依然是被限制在量子势阱里运动，表明，在高温下，2DEG的运输特性还是二维的，证明了AlGaN/GaN异质结构的高温实用性。另外，为了更深一层研究所有异质结构不同子带电子在2DEG的比例以及2DEG在整个电子体系的比例随温度的变化关系，我们通过图5.1给出的参数，得出2DEG比例随温度的变化，以及不同子带在2DEG中的比例在高温下的变化趋势如图6所示。 图6表明，对所有的AlGaN/GaN异质结构，电子在第一子带占据随温度的升高而降低，而第二自带的占据则升高，相对来讲，15%Al组分的异质结构变化的更快。在700K时，15%，27%，40%Al组分的异质结构2DEG在第一子带的占据分别降至75%，80%，92%，反映出高组分异质结构的2DEG更多的位于最低能带上，而获得更好的限域性。由图6可以看出，对于15%，27%，40%Al组分的异质结构，2DEG在整个电子体系中所占的比例分别由室温下的75%，80%，92%快速的降至680K下的30%，43%，55%，表明随着温度的增加，三维电子的浓度在剧烈的增加，如图2，以至于在680K的时候，对于15%，27%Al组分的异质结构，三维电子已经取代了2DEG的地位而在异质结构的运输特性中起到了主导作用，但对于高Al组分的样品C，2DEG依然是占据着首要的地位。此外，对于三维电子的浓度随温度变化关系可以由图1和图6推导得出（从每个样品推导的几乎一致），因此，从图7中可以看出，2DEG面密度随着温度的升高缓慢降低，而三维电子的密度则几乎以直性方式快速增加。为了在理论上研究不同Al组分异质结构2DEG迁移率和总的电子迁移率与温度的关系，我们使用几种主要的散射机制来计算其各自的迁移率。主要考虑的散射机制为纵向光学声子(LO)，声学声子(AC)，压电厂(PE)，界面粗糙度(IFR)以及合金无序(Alloy）散射，这些散射机制在文献5.2中已经进行了详细的讨论，这些散射机制的迁移率在室温上有着如下的约近关系式，式中所用到的参数均引用文献【2,4】。有了以上关系式后，对x=0.15,0.27,0.40的异质结构2DEG的迁移率可以由2D(T,x)=s14 1i(T,x)s14 1 得到，如图7（b）。n-GaN电子的三维迁移率的温度关系已在文献【7】中做了详细的讨论，本文中用到的施主浓度为1017cm-3，补偿系数为1.60，如图7（b）所示。可以看出，不管在室温下还是在高温下，二维的迁移率始终是比三维的迁移率要高很多。最后，由式（1）以及修正的系数f(T)，可以求出三种异质结构总的电子迁移率，计算结果表明，40%Al组分的异质结构的电子迁移率在700K下最高，为229cm2/Vs，计算结果于图1的实验结果相吻合，图8中表明随着温度的进一步增加，这种迁移率的相差进一步的明显，因此高Al组分的异质结构在高温下对相对低Al组分的异质结构来讲，其运输特性更多的依然是以2D特性的为主，电子迁移率较高。5. 结论本节通过高温Hall效应测试研究了不同Al组分异质结构的高温电子运输特性，实验结果表明，随着Al组分的增加，AlGaN/GaN异质结构的电子迁移率随温度而降低的速率在逐渐降低，在近700K下，高Al组分的异质结构比低Al组分的电子迁移率要高，理论计算较高表明，AlGaN/GaN异质结构2DEG在700K的高温下依旧被限制在量子势阱中以2D方式运动，但相比而言，高Al组分的异质结构的限域性药好且由理论分析可知，其运输特性更能保持2DEG独有的2D运动性，所以电子迁移率要高，理论计算的结果也反映出同样的规律。有研究报道指明，尽管在高温下AlGaN/GaN异质结构的随着迁移率低于150cm2/Vs，其依然适用于高温应用，在我们的研究中，高Al组分的异质结构在高温下具有更高的2DEG比例以及电子迁移率，因此，相比较较低Al组分的异质结构而言，在高温应用下，高Al组分异质结构的器件将能提供更大的功率以及更好的夹断特性。6. 参考文献1 Ambacher O, Smart J, Shealy J R, et al. Two-dimensional electron gases induced by spontaneous and piezoelectric polarization charges in N- and Ga-face AlGaN/GaN heterostructures. J Appl Phys, 1999, 85: 32223233doi 2 Miyoshi M, Egawa T, Ishikawa H, et al, Nanostructural characteriza-tion and two-dimensional electron-gas properties in high-mobility AlGaN/AlN/GaN heterostructures grown on epitaxial AlN/sapphire templates. J Appl Phys, 2005, 98: 63713doi 3 Hsu L, Walukiewicz W. Effect of polarization fields on transport properties in AlGaN/GaN heterostructures. J Appl Phys, 2001, 89: 17831789doi 4 Zanato D, Gokden S, Balkan N, et al. The effect of interface-rough- ness and dislocation scattering on low temperature mobility of 2D electron gas in GaN/AlGaN. Semicond Sci Technol, 2004, 19: 427 432 doi 5 Maeda N, Tsubaki K, Saitoh T, et al. High-temperature electron transport properties in AlGaN/GaN heterostructures. Appl Phys Lett, 2001, 79: 16341636doi 6 Wu Y -F, Keller B P, Fini P, et al. High Al-content AlGaN/GaN MODFETs for ultrahigh performance. IEEE Electron Device Lett, 1998, 19: 5054doi 7 Aktas O, Fan Z F, Mohammad S N, et al. High temperature charac-teristics of AlGaN/GaN modulation doped field-effect transistors. Appl Phys Lett, 1996, 69: 38723874doi 8 Lu C Z, Xie X S, Zhu X D, et al. High-temperature e