HEMT中二维电子气的电子密度的研究

考虑到界面态影响 ,通过求解泊松方程 ,推导出了HEMT中二维电子气的电子密度表达式 。

AlGaN/GaN异质结极化行为与二维电子气

AlGaN/GaN异质结及其相关器件因其优越的电学特性成为近几年的研究热点。2DEG作为其特征与材料本身的极化现象关系密切。本文主要从晶体微观结构角度介绍AlGaN/GaN异质结极化现象的产生、机理和方向性,着重讨论极化对异质结界面处诱生的二维电子气的影响。极化不仅可提高2DEG的浓度,而且还能使其迁移率得到提高。

基于第一性原理的单层SnSe2二维薄膜的气敏效应

为探索 SnSe2二维薄膜材料的气敏特性,采用分子力场方法系统地研究了 SnSe2二维单层材料对 H2,CO,NH3 及 NO2 等 4 种典型气体分子的最优吸附位置和吸附能力,并基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理方法计算了吸附前后的键长键角变化率、能带结构、态密度及电荷差分密度等参数,分析了吸附前后的电子结构变化与气敏效应之间的内在关联。计算结果发现,吸附 H2和 CO 未能对 SnSe2单层的能带结构和电子结构产生改变,而 NO2和 NH3却在导带底(CBM)和价带顶(VBM)之间分别产生了新的杂质能级,并使费米能级发生位移,从而改变 SnSe2 单层电子结构。电荷差分密度分析进一步表明 SnSe2二维单层未能对 H2和 CO 产生响应,而对 NH3和 NO2却有明显的气敏效应,其中对 NO2有良好的敏感性能和选择性。

AlGaN/GaN中二维电子气研究新进展

AlGaN/GaN异质结是氮化物微波功率器件的基本结构之一,其优越性的关键是在异质界面上形成具有高面电子密度和高迁移率的二维电子气.给出了AlGaN/GaN异质结二维电子气的面电子密度、迁移率对氮化物材料性质、异质结结构参数和温度的依赖关系,以及两者内在矛盾等方面的研究现状,指出了该领域内仍需深入研究的问题,如面电子密度的温度特性、迁移率随合金层的变化关系以及迁移率随面电子密度的变化关系等.

背势垒对InAlN/GaN异质结构中二维电子气的影响

利用有效质量理论自洽求解Poisson和Schrdinger方程理论研究了背势垒插入层对InAlN/GaN晶格匹配异质结构的电学性能的影响。研究表明,对于In0.17Al0.83N/AlN/GaN的异质结构,AlN的临界厚度为2.43 nm。此时,异质结中二维电子气(2DEG)浓度达到2.49×1013 cm-2,且不随势垒层厚度的变化而变化。重点模拟研究了具有背势垒的InAlN/AlN/GaN/AlGaN/GaN和InAlN/AlN/GaN/InGaN/GaN两种结构的能带结构和2DEG的分布情况。理论结果表明,采用AlGaN背势垒结构时,对于AlGaN的任意Al组分,GaN沟道层导带底能量均被抬升,增强了AlN/GaN三角势阱对2DEG的限制作用,提高了电子迁移率。采用InGaN/GaN作为背势垒结构,当InGaN厚度为2或3 nm时,三角势阱中的2DEG随InGaN中In组分的增加先升高后降低,这主要是由于GaN/InGaN界面处产生的正极化电荷的影响,引起电子在AlN/GaN三角势阱和InGaN/GaN势阱之间的分布变化。

影响AlGaN/GaN HFET器件二维电子气的若干因素

基于Sentaurus Workbench(SWB)TCAD可制造性设计平台进行AlGaN/GaN器件的结构设计和仿真,并对影响二维电子气的重要参数因素进行了研究及优化,诸如AlGaN势垒层中Al组分x、AlGaN势垒层厚度h、应变弛豫度r和栅偏压Vg等因素。参数相关性的制约结果,无疑会反映在对器件物理特性的制约及影响上。研究结果表明,在一定条件下增大势垒层中Al组分和势垒层厚度可以提高器件的电流传输特性。然而随着二者的不断增大将会引起应变弛豫的发生,而应变弛豫的发生会降低器件的性能。

自旋效应对带电粒子与双层二维电子气相互作用的影响

采用线性化自旋量子流体动力学模型(Spin quantum hydrodynamic model SQHD)与Poisson方程相结合,研究了在外加磁场的作用下,电子自旋效应对带电粒子与双层二维电子气平面相互作用的影响。在适当的边界条件下,推导出两个平面内感应电子气密度、空间感应电势和感应电场对入射粒子的阻止力的一般表达式。结果表明,自旋效应对电子气密度分布和阻止力随速度变化均有一定的影响。在入射粒子附近,磁场使自旋向上的电子气密度振荡加强,而对自旋向下的电子气密度振荡起到抑制作用。由于两个电子气平面的相互耦合作用,阻止力随速度变化曲线出现了明显的双峰结构,随着入射磁场振幅和波数的增大,在速度较高的区域,无论电子自旋向上或向下,曲线均出现了明显的振荡衰减情况。

用以制备单电子晶体管的2DEG结构的设计

在一定的边界条件近似下,通过联立求解泊松和薛定谔方程,利用电荷控制模型对赝型高电子迁移率器件( p-HEMT)进行了模拟,分析了器件中二维电子气的面密度ns、d面掺杂层距离表面层厚度d1和距离二维电子气厚度d2对器件特性的影响,并讨论了这些结构参数的优化,为制备高温、稳定和有应用前景的单电子晶体管器件提供了依据。

电容耦合等离子体化学气相沉积系统二维射频放电及薄膜制备工艺的研究

通过建立二维自适应模型,对等离子体化学气相沉积系统反应室中SiH4/H2在射频辉光放电条件下的多物理场进行仿真模拟,模拟结果显示:当射频功率和硅烷体积分数增大时,极板间电子密度增大,薄膜沉积速率也随之加快,但沉积的均匀性变差。结合利用该PECVD设备制备的薄膜微结构和沉积速率测试结果,得出射频功率为80W,SiH4体积分数为1%时,薄膜的平均晶粒大小和晶化率最大,薄膜沉积速率较快且均匀性较好。

AlGaN/AlN/GaN HEMT结构2DEG的光致发光谱

AlGaN/GaN HEMT结构材料主要用于研制微电子器件,对其发光性质的研究相对较少。通过对AlGaN/GaN HEMT结构材料的光致发光谱(PL)研究,观测到了AlGaN势垒层中Al组分为40%的AlGaN/AlN/GaN结构中二维电子气(2DEG)光致发光及其能级分裂现象。在4.5 K低温下,其2DEG发光峰在GaN带边峰能量以下30和40 meV处分裂成两个峰位,直至温度持续升高至40 K后消失。根据GaN价带顶部在单轴晶格场和自旋-轨道耦合共同作用下的能级分裂理论,因自旋-轨道耦合引起的2DEG发光峰两个分裂能级差约为10 meV,与实验测得的结果一致,因此实验观测到的2DEG发光峰的分裂现象是由于氮化镓价带能级的自旋-轨道耦合而形成的。

表面基团对Ti_(3)C_(2)T_(x)吸附NO性能影响的第一性原理研究

本工作基于密度泛函理论的第一性原理方法,构建了Ti_(3)C_(2)O_(2)、Ti_(3)C_(2)O1.5(OH)0.5、Ti_(3)C_(2)O(OH)、Ti_(3)C_(2)O1.5F0.5和Ti_(3)C_(2)OF五种模型,从几何结构、电荷转移以及电子性质等方面研究了基团种类和比例对Ti_(3)C_(2)T_(x)吸附NO的影响。结果表明:相较于Ti_(3)C_(2)O_(2),含低比例-OH和-F基团的Ti_(3)C_(2)T_(x)对NO的吸附能更大,电荷转移更弱,不利于其探测NO,与实验结果一致;但随着-OH和-F比例的提高,吸附能分别减小和增大,电荷转移分别增强和减弱,表明高比例的-OH有利于Ti_(3)C_(2)T_(x)探测NO,而高比例的-F是不利的;同时,在吸附NO后,Ti_(3)C_(2)O_(2)在费米能级附近的能带极值曲率变小,电子有效质量增大,表明-O基团有利于Ti_(3)C_(2)T_(x)探测NO。在几何弛豫过程中NO分子总是以N原子靠近衬底,吸附距离均较小,而且最近邻原子的电子轨道出现杂化,电子的聚集和消散位于两端,表明最近邻原子间成键较弱且偏离子性。此计算结果可以为Ti_(3)C_(2)T_(x)探测和屏蔽NO提供理论指导,同时为Ti_(3)C_(2)T_(x)的表面改性提供思路。

GaAs PHEMT材料中2DEG浓度的控制与测试研究

设计并使用分子束外延(MBE)方法制备了不同帽层厚度、不同掺杂浓度的双平面掺杂GaAs PHEMT外延材料,采用不同工艺手段控制InGaAs沟道异质结界面的平滑程度。采用非接触霍尔方法对样品二维电子气(2DEG)浓度及迁移率进行测试,并用范得堡法对实验结果加以验证。结果表明,平整异质结界面生长技术能有效控制高迁移率2DEG浓度分布;与范德堡法相比,非接触霍尔方法无破坏性、测试结果可靠,该结果可以用来分析多层结构的PHEMT外延材料中InGaAs沟道界面的生长情况。

AlN/β-Ga_(2)O_(3)异质结电子输运机制

β-Ga_(2)O_(3)具有禁带宽度大、击穿电场强的优点,在射频及功率器件领域具有广阔的应用前景.β-Ga_(2)O_(3)(2¯01)晶面和AlN(0002)晶面较小的晶格失配和较大的导带阶表明二者具有结合为异质结并形成二维电子气(two-dimensional electron gas,2DEG)的理论基础,引起了众多研究者关注.本文利用AlN的表面态假设,通过求解薛定谔-泊松方程组计算了AlN/β-Ga_(2)O_(3)异质结导带形状和2DEG面密度,并将结果应用于玻尔兹曼输运理论,计算了离化杂质散射、界面粗糙散射、声学形变势散射、极性光学声子散射等主要散射机制限制的迁移率,评估了不同散射机制的相对重要性.结果表明,2DEG面密度随AlN厚度的增加而增加,当AlN厚度为6 nm,2DEG面密度可达1.0×10^(13)cm^(-2),室温迁移率为368.6 cm^(2)/(V·s).在T<184 K的中低温区域,界面粗糙散射是限制2DEG迁移率的主导散射机制,T>184 K的温度区间,极性光学声子散射是限制2DEG迁移率的主导散射机制.

二维氮化镓中空位缺陷研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,研究了二维氮化镓(2D-GaN)平面和翘曲结构中电中性Ga空位(V_(Ga))和N空位(V_(N))的形成能、能带结构及电子态特性。采用杂化泛函方法,计算了含Ga空位的2D-GaN(2D-GaN-V_(Ga))和含N空位的2D-GaN(2D-GaNV_(N))缺陷体系的电子结构。结果表明,在2D-GaN平面结构中,V_(N)缺陷形成能量低于V_(Ga)的能量,说明V_(N)缺陷更容易形成。在2D-GaN翘曲结构中,V_(Ga)缺陷形成能量低于V_(N)的能量,说明V_(Ga)缺陷更容易形成。在2D-GaN平面和翘曲两种体系结构中,V_(Ga)均为受主缺陷,V_(N)均为施主缺陷。研究结果对系统地理解2D-GaN及其缺陷模型的性质有重要意义,为发展基于2D-GaN的大功率器件、深紫外光电器件和光通信等领域提供理论参考。

Si衬底上5.1W/mm功率密度的GaN HEMT

利用MOCVD技术在Si(111)衬底上生长了高质量的GaNHEMT材料.1μm厚GaN外延层XRD(002)摇摆曲线半高宽573″,(102)摇摆曲线半高宽668″.通过插入层技术实现2μm厚GaNHEMT材料无裂纹,室温二维电子气迁移率1350cm2/(V.s),方块电阻328Ω/□.1mm栅宽GaN微波功率器件饱和电流大于0.8A/mm,跨导大于250mS/mm,2GHz下最大连续波输出功率5.1W,增益9.1dB,附加效率达到35%.

肖特基金属对AlGaN/GaN二极管电学特性的影响

肖特基金属影响AlGaN/GaN异质结材料的电学特性。在AlGaN/GaN异质结材料上分别制备得到铱/金(Ir/Au)、镍/金(Ni/Au)和铼/金(Re/Au)三种不同肖特基接触的二极管器件,基于电流电压(I-V)和电容电压(C-V)测试结果,计算得到了三者的沟道二维电子气(2DEG)密度。并通过薛定谔和泊松方程自洽求解计算得到了三者的肖特基接触势垒高度、导带底能带图和沟道2DEG分布情况。研究发现金属功函数越小,势垒高度反而越高,沟道2DEG密度越小,GaN侧的沟道三角形势阱变得越浅。这主要是由于金属功函数越小,电子能量越高,与AlGaN势垒层表面态的电子耦合作用越强所致。

Al_2O_3/AlGaN/GaN MOSH结构的制备和性能研究

采用激光脉冲沉积法(PLD)在AlGaN/GaN半导体异质结构衬底上沉积Al2O3栅介质层,并对该异质结构的电学性能进行研究。结果表明,Al2O3栅介质层改善了异质结构的界面质量,增强了器件结构的抗击穿电场强度。研究了沉积氧分压对异质结构性能的影响,电流-电压(I-V)测试结果表明,适当氧分压(0.1 Pa)有利于降低栅漏电流。Hall测量和电容-电压(C-V)模拟结果表明,不同的氧分压会改变Al2O3/AlGaN界面处的正电荷密度,从而改变半导体内的二维电子气(2DEG)密度。

石墨烯及石墨烯/氮化硼的电子结构特性研究

化学气相沉积法生长的单层石墨烯具有卓越的力学、热学和电学特性,成为新一代纳米器件的首选材料。对石墨烯电子特性的理论研究有利于推动纳米器件的发展与应用。本文基于密度泛函理论与非平衡格林函数相结合的方法,系统地研究了石墨烯及石墨烯/氮化硼的电子结构特性。结果表明,在高对称K点,带隙为零。在50~400 K范围内,由于费米面的电声子散射作用,单层石墨烯的迁移率随着温度增加呈现显著下降趋势。此外,通过对不同层间距的石墨烯/氮化硼结构的能带、态密度、电子密度等特性分析,发现随着层间距增加,能带间隙减小,导带与价带间的能量差减小。随着原子个数的增加,石墨烯/氮化硼超胞结构与原胞结构的带隙开度变化规律一致,这对石墨烯基器件的结构设计具有一定的指导意义。

具有栅源间本征GaN调制层的AlGaN/GaN HEMT

为解决常规AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)因源极电子注入栅极右侧高场区造成的雪崩击穿,并提高器件的击穿电压,提出了一种具有栅源间本征GaN(i-GaN)调制层的新型AlGaN/GaN HEMT结构。新结构器件在反向耐压时将调制层下方部分区域的二维电子气(2DEG)完全耗尽,扩展了沟道的夹断区,有效阻止了源极电子向栅极右侧高场区的注入。仿真结果表明,通过设置适当的调制层长度和厚度,器件的击穿电压可从常规结构的862 V提升至新结构的1 086 V,增幅达26%。同时,GaN调制层会微幅增大器件的比导通电阻,对阈值电压也具有一定的提升作用。