InAlN/GaN异质结二维电子气波函数的变分法研究

使用变分法推导了InAlN/GaN异质结二维电子气波函数和基态能级的解析表达式,并讨论了InAlN/GaN异质结结构参数对二维电子气电学特性的影响.在假设二维电子气来源于表面态的前提下,使用了一个包含两个变分参数的尝试波函数推导电子总能量期望值,并通过寻找能量期望极小值确定变分参数.计算结果显示,二维电子气面密度随InAlN厚度的增大而增大,且理论结果与实验结果一致.二维电子气面密度增大抬高了基态能级与费米能级,并保持二者之差增大以容纳更多电子.InAlN/GaN界面处的极化强度失配随着In组分增大而减弱,二维电子气面密度随之减小,并导致基态能级与费米能级减小.所建立的模型能够解释InAlN/GaN异质结二维电子气的部分电学行为,并为电子输运与光学跃迁的研究提供了解析表达式.

光学声子散射对纤锌矿AlN/GaN异质结中电子迁移率的影响

考虑导带弯曲和有限高势垒,利用变分法和力平衡方程研究了界面光学声子和半空间光学声子散射对纤锌矿AlN/GaN异质结中二维电子气(2DEG)迁移率的影响,数值计算了各支光学声子作用下迁移率随电子面密度及温度的变化.结果表明:总迁移率随电子面密度先上升后下降,随温度升高则一直呈下降趋势.在较低电子面密度时,沟道区的体纵光学声子散射为影响迁移率的主要因素;当电子面密度大于4×1013/cm2时,界面声子散射成为主要因素.

GaN基异质结霍尔传感器封装测试与输出特性

霍尔传感器作为磁传感领域最常用的传感器类型,在工业生产、汽车电子、航空航天以及生物医学等方面均有广泛应用.本文利用宽禁带氮化镓(GaN)半导体耐高温、高迁移率等优点,采用标准半导体芯片制造工艺研制出AlGaN/GaN异质结结构霍尔传感器.高温应用环境下的传感器要求封装材料耐高温、产生应力低以及对传感器关键指标影响小.本文通过软件仿真树脂橡胶类3种不同封装材料封装后对传感器及键合线的性能影响规律,并通过实验验证不同材料封装前后传感器灵敏度、失调电压、温漂系数等物理参量的变化,遴选出综合性能最优的、可在550 K高温环境下使用的封装材料.最终得到封装后的霍尔传感器失调电压在1.0 mA激励电流时小于115μV,信号线性度在0~3.0 mA激励电流和0~1.0 T磁场测量范围内优于0.3%,而温漂系数在300~550 K温度范围内仅有-120.9 ppm/K,优于目前文献报道结果,因此有望应用于极端环境磁场检测中.

AlGaN/GaN异质结HEMT电学特性仿真研究

GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)作为宽禁带功率半导体器件的代表,在电子电路的应用方面有巨大的潜力。GaN HEMT因其高击穿电压、高电子迁移率等优异性能,适用于各种高频、高功率器件,并被广泛应用于雷达和航空航天等领域。文中利用Silvaco TCAD软件,定义了AlGaN/GaN单异质结和双异质结HEMT结构,并对其转移特性、输出特性、频率特性和热特性进行了仿真研究。结果表明,AlGaN/GaN双异质结HEMT比单异质结器件具有更好的性能。这主要得益于双异质结二维电子气具有更好的限域性,并且载流子迁移率高的优势。

GaN极性和Al组份对AlcGa1−cN/GaN双异质结IMPATTD性能的影响

GaN基碰撞雪崩渡越时间二极管(IMPATTD)是前景光明的太赫兹波源,具有输出功率高、转换效率高、体积小、集成方便等优点.构建了GaN/AlcGa1-cN/GaN和AlcGa1-cN/GaN/AlcGa1-cN双异质结构(DHS)n+/n/i/p/p+型IMPATTD,通过求解半导体器件基本方程(包括泊松方程、电流密度方程和载流子连续性方程),仿真了工作于大气低损耗窗口频率0.22 THz处的IMPATTD,计算了所设计器件的直流参数(如电场分布、归一化电流密度、击穿电压等)、大信号参数(如端电压、雪崩电流密度、端电流密度、导纳-频率关系、输出功率、转换效率等)和噪声特性参数(如噪声场分布、噪声谱密度和噪声测度等),分析了GaN极性和Al组份对AlcGa1-cN/GaN DHS IMPATTD性能的影响.本文提出了一种优化AlcGa1-cN/GaN DHS IMPATT二极管结构和性能的方法.

基于复合势垒的AlGaN/GaN异质结材料的制备与性能研究

针对高线性氮化镓微波功率器件研制需求,设计并外延生长了复合势垒的Al_(0.26)Ga_(0.74)N/GaN/Al_(0.20)Ga_(0.80)N/GaN异质结构材料,通过理论计算和电容-电压(C-V)测试表明复合势垒材料存在两层二维电子气沟道。生长的复合势垒材料二维电子气迁移率达到1510 cm^(2)·V^(-1)·s^(-1),面密度达到9.7×10^(12)cm^(-2)。得益于双沟道效应,基于复合势垒材料研制的器件跨导存在两个峰,使得跨导明显展宽,达到3.0 V,是常规材料的1.5倍。复合势垒结构器件的跨导一阶导数与二阶导数具有更加优异的特性,表明其具有更高的谐波抑制能力,显示复合势垒AlGaN/GaN异质结构在高线性应用上的优势。

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。

晶格匹配InAlN/GaN异质结Ti/Al/Ni/Au欧姆接触的温度依赖特性

在硅衬底晶格匹配In_(0.17)Al_(0.83)N/GaN异质结外延片上制备了Ti/Al/Ni/Au欧姆接触传输线模型测试结构,通过测试变温电流-电压特性研究方块电阻(R_(sh))和比接触电阻率(ρ_(sc))的温度依赖特性.结果表明:(1)沟道层的R_(sh)对温度呈指数依赖关系,幂指数约-2.61,主要由高温下半导体的晶格散射机制决定;(2)300~523 K的变温范围内,ρ_(sc)随温度上升呈先增大后减小的趋势;当温度低于350 K时,ρ_(sc)的温度依赖关系主要由TiN合金的类金属特性决定;而在更高的温度下,热场发射机制将逐渐占主导.基于以上2种模型的并联形式对实验数据进行了拟合,并分析了提取的重要物理参数.

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.

嵌入分段半超结的p-栅增强型垂直GaN基HFET

元胞面积相同的增强型垂直GaN/AlGaN异质结场效应管比横向HFET能承受更高的电压和更大的电流,适用于大功率领域,但在耐压时漂移区场强峰值高而容易提前击穿。提出了一种嵌入分段半超结的增强型垂直HFET,利用p型掺杂GaN栅和p+型掺杂GaN电流阻挡层抬高GaN/AlGaN异质结导带至费米能级之上,在栅压为0时夹断异质结的2DEG沟道,实现增强功能;在漂移区两侧插入2段p-GaN柱,形成p/n/p型离散半超结,改善电场均匀性。采用Silvaco TCAD软件模拟了Al组份、CBL浓度、p-GaN柱的宽度和厚度等参数对器件性能的影响。结果表明,相比于包含普通半超结的HFET,器件的击穿电压提升了8.67%,静态品质因数提升了11.25%,导通延时缩短了16.38%,关断延时缩短了3.80%,可为设计高性能HFET提供新思路。

Ka波段InAlN/GaN/AlGaN双异质结场效应晶体管

InAlN/GaN/AlGaN双异质结材料可以兼顾较高的二维电子气浓度和较好的载流子限域性,适宜制备Ka波段及以上微波功率器件。使用金属有机物气相外延方法,在SiC衬底上生长高性能InAlN/GaN/AlGaN双异质结构材料并制备了栅长为0.2μm的异质结场效应晶体管。测试结果表明,在栅压+2 V时器件的最大电流密度为1.12 A/mm,直流偏置条件VDS为+15 V和VGS为-1.6 V时,最高输出功率密度为2.1 W/mm,29 GHz下实现功率附加效率(ηPAE)为22.3%,截止频率fT达到60 GHz,最高振荡频率fmax为105 GHz。就功率密度和功率附加效率而言,是目前报道的Ka波段InAlN/GaN/AlGaN双异质结场效应晶体管研究的较好结果。

氮缺陷对GaN/g-C_(3)N_(4)异质结电子结构和光学性能影响的第一性原理研究

基于密度泛函理论下的第一性原理平面波超软赝势方法,研究了单层GaN、g-C_(3)N_(4)、GaN/g-C_(3)N_(4)异质结及3种氮缺陷GaN/g-C_(3)N_(4)-V_(XN)(X=1、2、3)异质结的稳定性、电子结构、功函数及光学性能。计算结果表明,GaN/g-C_(3)N_(4)异质结体系晶格失配率极低(0.8%),属于完全共格。与单层g-C_(3)N_(4)相比,GaN/g-C_(3)N_(4)和GaN/g-C_(3)N_(4)-V_(XN)(X=1、2、3)异质结的导带向低能方向偏移,价带上移,从而导致带隙减小,且态密度均显示出轨道杂化现象。GaN/g-C_(3)N_(4)和GaN/g-C_(3)N_(4)-V_(XN)(X=1、2、3)异质结在界面处均形成了电势差,在其内部形成了从g-C_(3)N_(4)层指向GaN层的内置电场。GaN/g-C_(3)N_(4)-V_(1N)异质结的界面电势差值最大且红移现象最为明显,表明GaN/g-C_(3)N_(4)-V_(1N)异质结相较其他2个N缺陷异质结光学性能最好。氮缺陷的引入在不同程度上提高了GaN/g-C_(3)N_(4)异质结在红外光区域的光吸收能力。

X/g-C_(3)N_(4)(X=g-C_(3)N_(4)、AlN及GaN)异质结光催化活性的理论研究

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法,研究了单层g-C_(3)N_(4)以及X/g-C_(3)N_(4)(X=g-C_(3)N_(4)、AlN及GaN)异质结的稳定性、电子结构、功函数及光学性质。结果表明,X/g-C_(3)N_(4)异质结的晶格失配率和晶格失配能极低,说明X/g-C_(3)N_(4)具有优异的稳定性。与单层g-C_(3)N_(4)相比,X/g-C_(3)N_(4)的带隙均减小,态密度的波峰和波谷均大幅提高且出现了红移现象,处于激发态的电子数量增加,使得电子跃迁变得更为容易,表明构建异质结有利于提高体系对可见光的响应能力。此外,X/g-C_(3)N_(4)的功函数均减小且在界面处形成了内建电场,有效抑制了光生电子-空穴对的复合,这对载流子的迁移以及光催化能力的提高大有裨益。其中,GaN/g-C_(3)N_(4)的功函数最小,在界面处存在电势差形成了内建电场且红移现象最明显,可推测GaN/g-C_(3)N_(4)的光催化性能最好。因此,本文提出的构建异质结是提高体系光催化活性的有效手段。

AlGaN/GaN异质结电荷密度和内建电场强度的调控

为了优化AlGaN/GaN异质结场效应晶体管的性能,实现对异质结界面附近电荷密度和内建电场强度的调控,采用第一性原理计算方法,通过改变AlGaN势垒层的Al组分,或掺入少量用于p型掺杂的Mg原子进行模拟计算。结果表明,在一定范围内增大Al的组分能够有效提高AlGaN/GaN异质结界面附近的载流子浓度;异质结界面处的内建电场强度随着Al组分的增大而单调增大,当x=0.50、0.75时,计算所得内建电场强度分别约为x=0.25时的2倍、3倍;在使用少量Mg原子进行p型掺杂时,内建电场强度和电荷密度都显著减小。通过改变Al组分和掺入Mg原子来调控异质结界面附近电荷密度与内建电场强度是可行和有效的。

AlGaN插入层对InAlN/AlGaN/GaN异质结散射机制的影响

InAlN/AlN/GaN异质结中,名义上的AlN插入层实为Ga含量很高的AlGaN层, Al, Ga摩尔百分比决定了电子波函数与隧穿几率,因此影响与InAlN/AlGaN势垒层有关的散射机制.本文通过求解薛定谔-泊松方程与输运方程,研究了AlGaN层Al摩尔百分含量对InAlN组分不均匀导致的子带能级波动散射、导带波动散射以及合金无序散射三种散射机制的影响.结果显示:当Al含量由0增大到1,子带能级波动散射强度与合金无序散射强度先增大后减小,导带波动散射强度单调减小;在Al含量为0.1附近的小组分范围内,合金无序散射是限制迁移率的主要散射机制,该组分范围之外,子带能级波动散射是限制迁移率的主要散射机制;当Al摩尔百分含量超过0.52,三种散射机制共同限制的迁移率超过无插入层结构的迁移率, AlGaN层显示出对迁移率的提升作用.

GaN/AlN半导体异质结带阶超原胞法计算

为了对GaN/AlN异质结电子结构有更为深入的认识,采用超原胞模型,对其进行了基于密度泛函理论的第一性原理计算.结果发现GaN/AlN为突变同型异质结,价带顶带阶为0.62eV,与实验值很接近.通过使用常用的平均键能法、平均势法和芯态法三种近似方法对GaN/AlN带阶的计算,比较得出,超原胞法虽然计算量较大,但能够给出异质结界面附近更为详细的信息,这一点其他三种近似方法无法得到,但他们也能够得出与实验值基本一致的带阶参量.

AlGaN/GaN异质结单片集成紫外/红外双色探测器

采用分子束外延(MBE)技术在蓝宝石衬底上依次生长n+GaN下电极层、i型AlxGa1-xN势垒层和n+GaN发射极层,并通过半导体微细加工技术,制作了AlGaN/GaN异质结单片集成紫外/红外双色探测器。该器件利用不同的探测机理,同时实现了红外光和紫外光探测,拓展了响应光谱的范围。红外光探测是通过AlGaN/GaN异质结界面自由电子吸收和功函数内部光致发射效应完成的,紫外光探测是通过AlxGa1-xN势垒层带间吸收完成的。对单元器件的暗电流特性、紫外及红外光谱特性进行了测试。测试结果表明,紫外响应截止波长356 nm,响应度180 mA/W,红外响应峰值波长14.5μm,响应度49 mA/W。

AlGaN/GaN异质结辐射感生界面态电荷对二维电子气输运的影响

根据荷电中心与自由载流子间的库仑散射作用 ,给出了异质结辐射感生界面态电荷对二维电子气 (2DEG)迁移率的散射模型 .计算了在不同沟道电子面密度下 ,界面态电荷密度与其所限制的迁移率之间的关系 .运用马德森定则分析了辐射感生界面态电荷散射对总迁移率的影响 .分析表明 ,辐射感生界面态电荷在累积到一定量后 ,会显著影响迁移率 ,一定程度上提高

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。