AlGaNGaN中二维电子气的研究进展课件

AlGaN/GaN中二维电子气的研究进展2011.06.24CompanyLogoAlGaN/GaN中二维电子气的研究进展研究背景1AlGaN/GaNHEMT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CompanyLogo发光二极管VCDCompanyLogo普通的室内外LED照明：

400-410nm1研究背景海底半导体激光器(LD)1研究背景CompanyLogo光盘：高密度数据存储激光打印机1研究背景在半导体工业中,人们习惯以为第一代半导体材料：以锗(Ge)、硅(Si)为代表元素半导体材料第二代半导体材料：以砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)为代表的化合物半导体材料第三代半导体材料：以氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)、氧化锌（ZnO）为代表的半导体材料CompanyLogoCompanyLogo1研究背景表几种半导材料的参数对照表

1研究背景CompanyLogo图电子漂移速度与电场强度的关系1研究背景CompanyLogo图几种半导体的适用工作范围1研究背景近年来，GaN基电学器件的研制受到越来越多的关注。

GaN材料具有：宽带隙(3.4

eV)高击穿电压(3×106V/cm)高电子迁移率(室温1000cm2／W·s)高的电子饱和漂移速度（2.5×107cm/s）高温热稳定性（1000℃）高异质结面电荷密度(1×1013/cm3)

CompanyLogo1研究背景基于GaN基的AlGaN/GaNHEMT器件是发展最快的器件；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率、更高频率、更小体积和更恶劣条件高温度下工作的要求；

被认为在1-50GHz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。CompanyLogoCompanyLogoAlGaN/GaN中二维电子气研究进展研究背景1AlGaN/GaNHEMT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2.1AlGaN/GaNHEMTCompanyLogoAlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(AlGaN/GaNhighelectronmobilitytransistors)，也称作异质结场效应晶体管HFETs（heterostructurefieldeffecttransistors）或调制掺杂场效应晶体管MODFETs(modulationdopedfieldeffecttransistors)，是以AlGaN/GaN异质结材料为基础而制造的GaN基器件。2.1AlGaN/GaNHEMTCompanyLogo图简化的AlGaN/GaNHEMT结构2.2AlGaN/GaNHEMT二维电子气

AlGaN/GaNHEMT最为独特的地方是其具有高浓度的二维电子气(2DEG)。

典型的AlGaN／GaN异质结构，其AlGaN势垒层中压电极化强度为传统AlGaAs／GaAs异质结构中的5倍之多，感生的压电场强达2MV／cm。如此强的极化效应以及AlGaN／GaN界面大的导带偏移，在GaN层形成一个很深的量子阱，即使不掺杂，也可感生高达～1012cm-2浓度的二维电子气。CompanyLogo2.2AlGaN/GaNHEMT二维电子气

二维电子气(2DEG)的来源：基于强极化诱导作用和巨大能带偏移，Ⅲ族氮化物异质结构界面可形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浓度的半导体材料体系。

CompanyLogo2.2AlGaN/GaNHEMT二维电子气CompanyLogo图

A1GaN／GaN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

AlGaN／GaN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

影响它的主要因素：Al组分--决定二维电子气浓度大小的最主要因素AlGaN势垒层的厚度--影响二维电子气的一个重要因素势垒层掺杂--可以提高二维电子气浓度CompanyLogoCompanyLogo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

CompanyLogo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CompanyLogo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2DEG电子迁移率是AlGaN/GaN异质结构的重要参数，其大小直接影响到AlGaN/GaNHEMT的频率和功率特性。CompanyLogo2.4二维电子气迁移率影响AlGaN／GaN异质结构中载流子迁移率的散射机制主要包括：合金无序散射离化杂质散射界面粗糙度散射声学声子散射以及极化光学声子散射CompanyLogo2.4二维电子气迁移率CompanyLogo图A1GaN／GaN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CompanyLogo图A1GaN／GaN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CompanyLogo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AlGaN/GaNHEMTs的性能,必须提高2DEG面密度和迁移率的乘积。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。所以，实际工作中必须权衡而这之间的关系。CompanyLogoCompanyLogoAlGaN/GaN中二维电子气研究进展研究背景1AlGaN/GaNHEMT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GaN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：双沟导A1GaN／GaN／A1GaN双异质结构A1N／GaN异质结构A1GaN／A1N／GaN异质结构应变调制A1GaN／GaN异质结构AlGaN／InGaN／GaN异质结构CompanyLogo3.1双沟导A1GaN／GaN／A1GaN双异质结构CompanyLogo图

双沟导AlGN／GaN／A1GN异质结构3.1双沟导A1GaN／GaN／A1GaN双异质结构GaN基异质结构体系中另一较为常见的是A1GaN／GaN／A1GaN双异质结构.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。AlGaN／GaN／A1GaN双异质结构的GaN量子阱具有更强的极化场。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。CompanyLogo3.2A1N／GaN异质结构由于A1N的禁带宽度为6．2eV，近似为绝缘体，基于A1N／GaN的器件称为金属一绝缘体一半导体(MIS)结构。CompanyLogo3.2A1N／GaN异质结构CompanyLogo图

AIo.2Gao.8eN／GaN和A1N／GaN异质结构中的二维电子气分布3.2A1N／GaN异质结构然而由于GaN和AlN界面处存在大的晶格失配，应变A1N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.尽管如此，AlN／GaN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。CompanyLogo3.3A1GaN／A1N／GaN异质结构CompanyLogoAlGaN／AlN／GaN异质结构是在A1GaN和GaN两层之间插入一层薄，A1N隔离层在HEMT器件应用方面具有更强的吸引力。3.3A1GaN／A1N／GaN异质结构CompanyLogo图

插入A1N隔离层AlGaN／AlN

GaN(实线)和传统A1GaN／GaN异质结构(虚线)中的载流子迁移率随浓度的变化关系CompanyLogoAlGaN/GaN中二维电子气研究进展研究背景1AlGaN/GaNHEMT二