氮化镓/硅复杂界面结构异质结的光伏效应

采用宽带隙半导体材料或减小p-n结漏电流密度是增加开路电压以提高太阳能电池光电转换效率的重要途径。氮化镓(GaN)是一种具有直接带隙的宽带隙化合物半导体材料,并已在光电器件领域得到广泛应用。以通过水热腐蚀制备的、具有优异宽波段光吸收性能的硅纳米孔柱阵列(Si-NPA)为功能性衬底,采用化学气相沉积法制备了一种具有复杂界面结构的异质结GaN/Si-NPA,并以此为基础制备了器件结构为ITO/GaN/Si-NPA/sc-Si/Ag的太阳能电池原理性器件。在AM 1.5的模拟太阳光照射下,电池的开路电压达到1.94 V,短路电流密度0.07 mA/cm2,填充因子73%,电池光电转换效率0.1%。对实验结果的分析表明,电池效率较低的原因是较大电池串联电阻导致了较小短路电流密度。本研究为制备具有更高开路电压的高效太阳能电池提供了一种可能的新途径。.

平面掺杂异质结场效应管的二维电子气浓度和材料结构尺寸之间的关系

本文对场效应管所用材料的隔离层，δ调制掺杂层，势垒耗尽层等材料结构尺寸，异质结界面的二维电子气浓度，场效应管的夹断电压，沟道电流等以及它们之间的关系进行了计算分析，可作为材料和器件结构设计的依据．

基于石墨烯异质结的隧穿场效应管研究

为解决现有隧穿场效应管(TFET)开态电流相对较低的问题,设计一种以石墨烯异质结为导电沟道的新型TFET器件。根据石墨烯条带导电性与边缘形状相关这一特性,设计一种带隙可变的石墨烯异质结,用作TFET的导电沟道,调控器件的开关态电流。使用NanoTCAD ViDES仿真软件进行研究,结果表明:新型TFET器件的开态电流达到6.3μA,关态电流达到3.2×10^(-10)A,亚阈值摆幅降至45.6mV/dec。相比一般石墨烯材料的TFET,开态电流提升了70%,拥有更好的开关特性。

增强型垂直氮化镓场效应管的设计与仿真

报道了一种利用AlGaN/GaN异质结中二维电子气导电且阈值电压可调的垂直氮化镓场效应管,通过双横向沟道的设置,在提高氮化镓器件电流密度的同时,通过改变器件顶部氮化镓刻蚀区域实现了器件阈值电压可调节。使用器件仿真TCAD软件,分析了不同刻蚀区域时器件的击穿电压、阈值电压之间的关系,在实现电流密度较高、耐压特性较好的同时,器件阈值电压可达1.02~1.68 V,并且得到最优刻蚀区域条件下,器件的阈值电压为1.18 V,源极输出电流密度可达7.2 kA/cm^(2),击穿电压为750 V左右,导通电阻为0.52 mΩ·cm^(2)。

ZnO/ZnMgO异质结场效应管的制备与性能研究

利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术,在ZnO/ZnMgO异质结构上制备SiO2作为栅绝缘层,采用光刻与腐蚀工艺制备ZnO/ZnMgO异质结场效应管。电学性能测试及计算结果表明器件栅压调控作用明显。发现栅端漏电流对器件性能造成一定影响。在低温条件下,栅绝缘层产生钝化,从而能够改善器件的性能。

分子束外延AlGaN/GaN异质结场效应晶体管材料

用自组装的氨源分子束外延 (NH3-MBE)系统和射频等离子体辅助分子束外延 (PA-MBE)系统在 C面蓝宝石衬底上外延了优质 Ga N以及 Al Ga N/Ga N二维电子气材料。Ga N膜 (1 .2 μm厚 )室温电子迁移率达3 0 0 cm2 /V· s,背景电子浓度低至 2× 1 0 1 7cm- 3。双晶 X射线衍射 (0 0 0 2 )摇摆曲线半高宽为 6arcmin。 Al Ga N/Ga N二维电子气材料最高的室温和 77K二维电子气电子迁移率分别为 73 0 cm2 /V·s和 1 2 0 0 cm2 /V· s,相应的电子面密度分别是 7.6× 1 0 1 2 cm- 2和 7.1× 1 0 1 2 cm- 2 ;用所外延的 Al Ga N/Ga N二维电子气材料制备出了性能良好的 Al Ga N/Ga N HFET(异质结场效应晶体管 ) ,室温跨导为 5 0 m S/mm(栅长 1 μm) ,截止频率达 1 3 GHz(栅长 0 .5μm)。该器件在 3 0 0°C出现明显的并联电导 。

氮化镓异质结高能电子辐照的电子背散射衍射研究

利用2MeV电子辐照氮化镓(GaN)异质结,辐照剂量分别为1×1015/cm2和5×1015/cm2。电子背散射衍射(EBSD)菊池图的图像质量IQ值随辐照剂量的增加而增大,对应的表层应变或畸变减小。扫描电镜能谱(SEM/EDS)分析发现氧原子在外延层心部发生富集,表明高能电子辐照在GaN外延层内引入晶格损伤。表层应变状态的改变与杂质扩散和辐照点缺陷的引入直接相关,其中晶格损伤是影响表面应变状态的主要因素。

势垒层Al组分呈台阶梯度的AlGaN/GaN异质结构场效应晶体管

设计并制备了AlGaN势垒层中Al组分呈线性梯度分布和呈台阶梯度分布的AlGaN/GaN结构材料及其异质结构场效应晶体管(HFET),测试了基于两种结构材料的HFET器件性能。分析发现,两种结构HFET的阈值电压分别为-9.5和-3.2 V,在1 V栅偏压下,峰值漏极电流密度分别达到684 mA/mm和600 mA/mm,峰值跨导分别达到102 mS/mm和167 mS/mm。通过分析随机半径上的峰值跨导分布发现,对于势垒层Al组分呈台阶梯度分布的AlGaN/GaN异质结构,由于每个AlGaN台阶层都是独立的,并且在外延过程中可以独立控制生长,其外延材料的方块电阻和HFET峰值跨导的相对标准偏差分别低至0.71%和0.7%,优于势垒层Al组分呈线性梯度分布的AlGaN/GaN结构及其HFET,这对后续规模化应用时的工艺控制和均匀性控制提供了便利。AlGaN/GaN台阶梯度异质结构的分层生长模式更有利于每层的独立优化。这种台阶梯度结构有望促进GaN器件在无线通信领域的规模化应用。

石墨烯/二氧化钛异质结场效应探测器光电特性

利用二氧化钛薄膜光吸收及表面钝化特性,在硅晶圆基底表面制备石墨烯/二氧化钛异质结场效应管光电探测器,并研究其光电响应特性.结果表明,二氧化钛钝化后的探测器可以有效抑制沟道表面的气体小分子吸附,降低器件的暗电流漂移;同时,探测器利用石墨烯的电荷敏感和复合薄膜的光谱吸收特性,显著提高了石墨烯场效应管的响应度.紫外波段,顶层二氧化钛吸光产生的光生电子将注入到石墨烯沟道中,对石墨烯沟道产生n型掺杂,器件最大响应度可达3.5×10~5A/W.在可见光波段,因为二氧化钛层与石墨烯薄膜间存在杂质能级,界面间的电荷转移使沟道载流子寿命显著提高.相对于传统的二氧化钛阵列探测器,该探测器在响应波段与响应度性能上都具有明显优势.

氮化物异质结电子气的二维特性和迁移率

从自洽求解薛定谔方程出发,计算了氮化物异质结中的二维电子气、退局域态和二维表面态。研究了电子气二维特性与迁移率间的关联。用电子气的二维特性和沟道电子向表面态溢出模型解释了室温和低温下迁移率随电子浓度变化的行为。以电子迁移率与异质结构间的关联为依据,提出了优化设计异质结构来增大电子迁移率和降低迁移率随电子浓度变化的新思路。

氮化镓基单片功率集成技术

宽禁带、高临界击穿电场和高饱和电子速度的材料优越性,以及铝镓氮/氮化镓(Al GaN/GaN)异质结能通过极化不连续性在其界面极化诱导出具有高浓度、高迁移率的二维电子气并制备出高电子迁移率晶体管,使氮化镓器件正成为下一代功率和射频应用领域的新型高性能电子器件。氮化镓基单片功率集成技术是减小寄生电感影响、提升集成电路开关速度、降低系统功耗和实现系统小型化的关键技术。该文围绕氮化镓单片功率集成技术,对p/n双极性沟道异质结外延结构、单片异质集成、全氮化镓集成电路和p沟道器件关键技术的研究进展进行了全面分析。

GaN、AlN的形变势和应变层GaN/AlN异质结带阶的计算

本文采用混合基矢从头赝势能带计算方法研究了（００１）界面应变对ＧａＮ、ＡｌＮ应变层的能带、平均键能Ｅｍ和带阶参数Ｅｍｖ的影响．借助于带阶参数形变势的计算，预言了不同生长厚度情况下ＧａＮ／ＡｌＮ应变层异质结价带带阶和导带带阶．

AlGaN／GaN异质结构中的极化工程

从自洽求解薛定谔方程和泊松方程出发,研究了AlGaN/GaN量子阱电子气密度随Al组份比、势垒层厚度和栅压的变化,比较了能带带阶和极化电荷对沟道阱能带和电子气特性的影响,研究了在势垒层和缓冲层中夹入AlN及InGaN薄层的作用,计算了AlGaN/GaN/AlGaN双异质结的能带,最后探讨了势垒层能带的优化设计,提出了剪裁势垒层能带来钝化表面的新方法。

用异质结构控制GaN阴极电子发射

从自洽求解薛定谔方程和泊松方程出发,研究了GaN异质结构上偏压变化时异质结电场的变化。发现异质结量子阱能把外电场屏蔽在异质界面以外。利用这种异质结量子阱的屏蔽效应,可以使外电场都降落在异质结表面来控制表面势。为了把表面电势剪裁成半导体阴极所需的陡直下降的电势结构,进一步深入研究了双势垒异质结的电场结构,发现外面的异质结能屏蔽里面异质结的势垒。利用这种双势垒异质结的屏蔽效应设计出可由偏压直接控制电子亲合势的异质结构,从而为半导体阴极开辟出一条新的研究途径。

A面和C面AlGaN/GaN异质结的比较研究

采用MOCVD技术在R面和C面蓝宝石上生长非极性A面和极性C面Al Ga N/Ga N异质结。分别用X射线衍射仪和原子力显微镜比较了两种材料的结构特性及表面形貌,通过电容-电压测试比较了两种材料的电学特性。研究结果表明,较高浓度的二维电子气的存在使得极性材料在微波功率器件方面更有优势,而非极性材料可以消除与极化相关的电场,更适合应用于光电器件领域。

面向下一代GaN功率技术的超薄势垒AlGaN/GaN异质结功率器件

AlGaN/GaN异质结型功率电子器件具有高工作温度、高击穿电压、高电子迁移率等优点,在推动下一代功率器件小型化、智能化等方面具有很大的材料和系统优势。从5种实现增强型GaN基功率电子器件的方法入手,重点介绍了采用超薄势垒AlGaN(小于6 nm)/GaN异质结实现无需刻蚀AlGaN势垒层的GaN基增强型器件的物理机理和实现方法。同时介绍了在超薄势垒AlGaN/GaN异质结构上实现增强型/耗尽型绝缘栅高电子迁移率晶体管单片集成的研究进展,进一步论证了在大尺寸Si基AlGaN/GaN超薄势垒平台上同片集成射频功率放大器、整流二极管、功率三极管等器件的可行性,为Si基GaN射频器件、功率器件、驱动和控制电路的单片集成奠定了技术基础。

AlGaN/GaN异质结肖特基二极管研究进展

氮化镓GaN(gallium nitride)作为第三代半导体材料的代表之一,具有临界击穿电场强、耐高温和饱和电子漂移速度高等优点,在电力电子领域有广泛的应用前景。GaN基器件具有击穿电压高、开关频率高、工作结温高、导通电阻低等优点,可以应用在新型高效、大功率的电力电子系统。总结了AlGaN/GaN异质结肖特基二极管SBD(Schottky barrier diode)目前面临的问题以及目前AlGaN/GaN异质结SBD结构、工作原理及结构优化的研究进展。重点从AlGaN/GaN异质结SBD的肖特基新结构和边缘终端结构等角度,介绍了各种优化SBD性能的方法。最后,对器件的未来发展进行了展望。

基于宽禁带GaN基异质结结构的垂直型高温霍尔传感器

目前市场主流的窄禁带材料霍尔磁场传感器主要工作在室温或低温环境,而新型的宽禁带GaN材料霍尔传感器虽然适用于高温,但器件结构主要是水平型,受制于异质结界面过高的纵向电场约束,能探测平行器件表面磁场的垂直型结构至今未见报道,因此技术上无法实现单一芯片三维磁场探测.针对该难题,本文提出基于宽禁带AlGaN/GaN异质结材料,采用选区浅刻蚀二维电子气沟道势垒层形成局部凹槽结构的方案,从而实现垂直型结构霍尔传感器,并且可有效地提高磁场探测灵敏度.首先对照真实器件测试数据对所提器件材料参数和物理模型进行校准,然后利用计算机辅助设计技术(TCAD)对器件电极间距比值、台面宽度、感测电极长度等核心结构参数进行优化,同时对器件特性进行深入分析讨论.仿真结果表明所设计的霍尔传感器具有高的磁场探测敏感度(器件宽度为2μm时为113.7 V/(A T))和低的温度漂移系数(约600 ppm/K),器件能稳定工作在大于500 K的高温环境.本文工作针对宽禁带材料垂直型霍尔传感器进行设计研究,为下一步实现在单一芯片同时制造垂直型和水平型器件,从而最终获得更高集成度和探测敏感度、能高温应用的三维磁场探测技术奠定了理论基础.

单晶金属纳米线与金属-半导体纳米线异质结

人们在研究半导体碳纳米管和纳米线真正电子器件上作了很多努力，希望制造出可替代传统硅晶体管的场效应管或独立的纳米电子系统，

ZnO/GaN异质结发光二极管的研究进展

ZnO材料作为六方纤锌矿结构的直接带隙半导体材料,以其3.37eV的禁带宽度,60meV的室温激子束缚能而被广泛用于短波长的发光以及探测器件中。在第三代半导体材料中,相比GaN材料,ZnO展现出较为突出的优点,如高光学增益,高辐射硬度,简便的制备方法。但是ZnO基光电器件仍存在p型制备困难,高结晶质量ZnO难以制备,高结晶质量的p-GaN是迄今为止与ZnO晶格匹配度最高的材料,从而开展了关于ZnO/GaN异质结的大量科学研究。本文对ZnO/GaN异质结发光方面的进展进行了总结,通过分析其载流子传输的机制,对这些研究中存在的困难加以剖析。