AlGaNGaN中二维电子气的研究进展

1、LOGOAlGaN/GaN中二维电子气中二维电子气的研究进展的研究进展2011.06.24Company LogoAlGaN/GaN中二维电子气的研究进展中二维电子气的研究进展研究背景研究背景1AlGaN/GaN HEMT二维电子气23总结4新型GaN基异质结构二维电子气研究进展1 研究背景研究背景Company Logo发光二极管VCDCompany Logo普通的室内外LED照明： 400-410nm1 研究背景研究背景海底半导体激光器(LD)1 研究背景研究背景Company Logo光盘：高密度数据存储激光打印机1 研究背景研究背景在半导体工业中在半导体工业中,人们习惯以为人们习惯以为

2、v第一代半导体材料：以锗第一代半导体材料：以锗(Ge)、硅、硅(Si) 为代表元为代表元素半导体材料素半导体材料v第二代半导体材料：以砷化镓第二代半导体材料：以砷化镓(GaAs)、磷化铟、磷化铟(InP)为代表的化合物半导体材料为代表的化合物半导体材料v第三代半导体材料：以氮化镓第三代半导体材料：以氮化镓(GaN) 、碳化硅、碳化硅(SiC)、氧化锌（、氧化锌（ZnO）为代表的半导体材料）为代表的半导体材料Company Logo1 研究背景研究背景Company Logo图 主要半导体的禁带宽度1 研究背景研究背景v第三代半导体第三代半导体宽禁带半导体宽禁带半导体 1）宽禁带半导体是指：禁带

3、宽度）宽禁带半导体是指：禁带宽度Eg2.0-6.0eV的一类半导体，如的一类半导体，如GaN、AlN、AlGaN、SiC、4H-SiC、6H-SiC等。等。 2）宽禁带半导体材料的特点：）宽禁带半导体材料的特点： 高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率、宽高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率、宽禁带、小介电常数、化学性能稳定、高硬度、抗磨禁带、小介电常数、化学性能稳定、高硬度、抗磨损、高键和能量以及抗辐射等优点。损、高键和能量以及抗辐射等优点。Company LogoCompany Logo1 研究背景研究背景表表 几种几种半导材料的参数对照表半导材料的参数对照表1 研究背景研究背景Co

4、mpany Logo图 电子漂移速度与电场强度的关系1 研究背景研究背景Company Logo图 几种半导体的适用工作范围1 研究背景研究背景 近年来，近年来，GaN基电学器件的研制受到越来越多的关基电学器件的研制受到越来越多的关注。注。 GaN材料具有：材料具有：l 宽带隙宽带隙(3.4 eV)l 高击穿电压高击穿电压(3106V/cm)l 高电子迁移率高电子迁移率(室温室温1 000 cm2Ws)l 高的电子饱和漂移速度（高的电子饱和漂移速度（2.5107cm/s）l 高温热稳定性（高温热稳定性（1000）l 高异质结面电荷密度高异质结面电荷密度(11013 /cm3) Company

5、Logo1 研究背景研究背景 基于基于GaN基的基的AlGaN/GaN HEMT器件是发展器件是发展最快的器件；最快的器件； 它具有输出功率密度大、耐高温、抗辐射等特它具有输出功率密度大、耐高温、抗辐射等特点，能满足下一代电子装备对微波功率器件更大功点，能满足下一代电子装备对微波功率器件更大功率、更高频率、更小体积和更恶劣条件高温度下工率、更高频率、更小体积和更恶劣条件高温度下工作的要求；作的要求； 被认为在被认为在1-50GHz频率范围具有很大应用潜力，频率范围具有很大应用潜力，其研究工作在近年来受到广泛关注。其研究工作在近年来受到广泛关注。Company LogoCompany LogoA

6、lGaN/GaN中二维电子气研究进展中二维电子气研究进展研究背景研究背景1AlGaN/GaN HEMT二维电子气23总结4新型GaN基异质结构二维电子气研究进展2.1 AlGaN/GaN HEMTCompany Logo AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管高电子迁移率晶体管(AlGaN/GaN high electron mobility transistors)，也称作异质结场，也称作异质结场效应晶体管效应晶体管HFETs（heterostructure field effect transistors）或调制掺杂场效应晶体管）或调制掺杂场效应晶体管MODFETs (modulation

7、doped field effect transistors)，是以，是以AlGaN/GaN异质结材料为基础而制造的异质结材料为基础而制造的GaN基器件。基器件。2.1 AlGaN/GaN HEMTCompany Logo图简化的AlGaN/GaN HEMT结构2.2 AlGaN/GaN HEMT 二维电子气二维电子气l AlGaN/GaN HEMT最为独特的地方是其具有最为独特的地方是其具有高浓度的二维电子气高浓度的二维电子气(2DEG)。l 典型的典型的AlGaNGaN异质结构，其异质结构，其AlGaN势垒势垒层中压电极化强度为传统层中压电极化强度为传统AlGaAsGaAs异质结构异质结构

8、中的中的5倍之多，感生的压电场强达倍之多，感生的压电场强达2 MVcm。l 如此强的极化效应以及如此强的极化效应以及AlGaNGaN界面大的界面大的导带偏移，在导带偏移，在GaN层形成一个很深的量子阱，即使层形成一个很深的量子阱，即使不掺杂，也可感生高达不掺杂，也可感生高达1012cm-2浓度的二维电子浓度的二维电子气。气。Company Logo2.2 AlGaN/GaN HEMT二维电子气二维电子气v 二维电子气二维电子气(2DEG)的来源：的来源： 基于强极化诱导作用和巨大能带偏移，基于强极化诱导作用和巨大能带偏移，族氮族氮化物异质结构界面可形成一强量子局域化的高浓度化物异质结构界面可形

9、成一强量子局域化的高浓度二维电子气系统，成为至今能提供最高二维电子气二维电子气系统，成为至今能提供最高二维电子气浓度的半导体材料体系。浓度的半导体材料体系。 Company Logo2.2 AlGaN/GaN HEMT二维电子气二维电子气Company Logo图 A1GaNGaN异质结构中自发极化和压电极化的方向以及界面极化电荷2.3 二维电子气浓度二维电子气浓度 AlGaNGaN异质结构中二维电子气浓度是决定异质结构中二维电子气浓度是决定HEMT器件性能的重要指标器件性能的重要指标 影响它的主要因素：影响它的主要因素：l Al组分组分-决定二维电子气浓度大小的最主要因素决定二维电子气浓度大

10、小的最主要因素l AlGaN势垒层的厚度势垒层的厚度-影响二维电子气的一个重要影响二维电子气的一个重要因素因素l 势垒层掺杂势垒层掺杂-可以提高二维电子气浓度可以提高二维电子气浓度Company LogoCompany Logo图2DEG密度与AlxGa1-xN合金Al组分的关系2.3 二维电子气浓度2.3 二维电子气浓度二维电子气浓度Company Logo图2DEG与AlGaN/GaN结构AlGaN势垒层厚度的关系2.3 二维电子气浓度二维电子气浓度Company Logo图 不同势垒层掺杂时二维电子气峰值浓度与GaN中掺杂浓度的关系2.4 二维电子气迁移率二维电子气迁移率v2DEG电子迁

11、移率是电子迁移率是AlGaN/GaN异质结构的重要参异质结构的重要参数，其大小直接影响到数，其大小直接影响到 AlGaN/GaN HEMT的频率的频率和功率特性。和功率特性。Company Logo2.4 二维电子气迁移率二维电子气迁移率 影响影响AlGaNGaN异质结构中载流子迁移率的异质结构中载流子迁移率的散射机制主要包括：散射机制主要包括：l 合金无序散射合金无序散射l 离化杂质散射离化杂质散射l 界面粗糙度散射界面粗糙度散射l 声学声子散射声学声子散射l 以及极化光学声子散射以及极化光学声子散射Company Logo2.4 二维电子气迁移率二维电子气迁移率Company Logo图

12、A1GaNGaN异质结构中载流子迁移率随A1组分的变化关系2.4 二维电子气迁移率二维电子气迁移率Company Logo图 A1GaNGaN 中载流子迁移率随势垒层厚度的变化关系2.4 二维电子气迁移率二维电子气迁移率Company Logo图 AIGaN(AIN)GaN异质结构中各种散射机制及迁移率与温度的关系2.4 二维电子气迁移率二维电子气迁移率v二维电子气浓度和迁移率二者乘积的大小决定了器二维电子气浓度和迁移率二者乘积的大小决定了器件的工作性能，所以为了改善件的工作性能，所以为了改善AlGaN/GaN HEMTs的性能的性能,必须提高必须提高2DEG面密度和迁移率的乘积。面密度和迁移

13、率的乘积。v然而，不可避免的是，提高二维电子气浓度常常导然而，不可避免的是，提高二维电子气浓度常常导致载流子迁移率的降低。致载流子迁移率的降低。v所以，实际工作中必须权衡而这之间的关系。所以，实际工作中必须权衡而这之间的关系。Company LogoCompany LogoAlGaN/GaN中二维电子气研究进展中二维电子气研究进展研究背景研究背景1AlGaN/GaN HEMT二维电子气23总结4新型GaN基异质结构二维电子气研究进展3 新型新型GaN基异质结构二维电子气研究进展基异质结构二维电子气研究进展 近年来，随着研究的深入和器件的发展，基于近年来，随着研究的深入和器件的发展，基于极化能带

14、工程设计，人们又不断提出一些新型极化能带工程设计，人们又不断提出一些新型GaN基异质结构，主要有以下几种结构：基异质结构，主要有以下几种结构：l 双沟导双沟导A1GaNGaNA1GaN双异质结构双异质结构l A1NGaN异质结构异质结构l A1GaNA1NGaN异质结构异质结构l 应变调制应变调制A1GaNGaN异质结构异质结构l AlGaNInGaNGaN异质结构异质结构Company Logo3.1 双沟导双沟导A1GaNGaNA1GaN双异质结构双异质结构Company Logo图 双沟导AlG NGaNA1G N异质结构3.1 双沟导双沟导A1GaNGaNA1GaN双异质结构双异质结构

15、 GaN基异质结构体系中另一较为常见的是基异质结构体系中另一较为常见的是A1GaNGaNA1GaN双异质结构双异质结构.l 与单异质结构相比，它具有双倍的电流传输能力，与单异质结构相比，它具有双倍的电流传输能力，有利于制作高功率器件。有利于制作高功率器件。l AlGaNGaNA1GaN双异质结构的双异质结构的GaN量子阱具量子阱具有更强的极化场。有更强的极化场。v实验表明：它具有较高的载流子迁移率，适合微波实验表明：它具有较高的载流子迁移率，适合微波功率或通信器件的应用。功率或通信器件的应用。Company Logo3.2 A1NGaN异质结构异质结构v由于由于A1N的禁带宽度为的禁带宽度为6

16、2 eV，近似为绝缘体，近似为绝缘体， 基于基于A1NGaN的器件称为金属一绝缘体一半导体的器件称为金属一绝缘体一半导体(MIS)结构。结构。Company Logo3.2 A1NGaN异质结构异质结构Company Logo图 AI o.2Gao.8eNGaN和A1NGaN异质结构中的二维电子气分布3.2 A1NGaN异质结构异质结构v然而由于然而由于GaN和和AlN界面处存在大的晶格失配，应界面处存在大的晶格失配，应变变A1N势垒层的临界厚度很薄，导致其中线位错密势垒层的临界厚度很薄，导致其中线位错密度较高，且易发生弛豫度较高，且易发生弛豫.v尽管如此，尽管如此，AlNGaN异质结构在高频

17、微波器件，异质结构在高频微波器件，高温大功率电子器件中仍有重要潜在应用。高温大功率电子器件中仍有重要潜在应用。Company Logo3.3 A1GaNA1NGaN异质结构异质结构Company Logo AlGaNAlNGaN异质结构是在异质结构是在A1GaN和和GaN两层之间插入一层薄，两层之间插入一层薄，A1N隔离层在隔离层在HEMT器器件应用方面具有更强的吸引力。件应用方面具有更强的吸引力。3.3 A1GaNA1NGaN异质结构异质结构Company Logo图 插入A1N隔离层AlGaNAlN GaN(实线)和传统A1GaNGaN异质结构(虚线)中的载流子迁移率随浓度的变化关系Company LogoAlGaN/GaN中二维电子气研究进展中二维电子气研究进展研究背景研究背景1AlGaN/GaN HEMT二维电子气23总结4新型GaN基异质