用于光探测的新型半导体异质结特性研究

摘要

ZnMgO/ZnO异质结作为一种新型的异质结半导体，凭借其在光电器件领域具有很大的应用潜力而得到广泛关注。近年来，ZnMgO/ZnO异质结中二维电子气（2DEG）输运性质的研究虽然已取得一定的进展，但高场输运特性以及低温下限制2DEG迁移率的散射机制例如合金群散射（ACS）等仍需要进一步的探索。另外，在ZnMgO/ZnO单异质结界面处插入一MgO隔离薄层可形成ZnMgO/MgO/ZnO异质结构，由于其拥有比ZnMgO/ZnO量子阱（QW）更大的2DEG浓度和迁移率，因而在高频、高功率器件制造更具发展优势。但对于ZnMgO/MgO/ZnO异质结的研究主要集于其迁移率特性分析，尚未见到由于极化效应产生的内建电场（BEF）对ZnMgO/MgO/ZnO异质结中子带间跃迁光吸收（ITOA）性质影响的报道。针对上述问题，本文分别探究ACS对ZnMgO/ZnO异质结2DEG输运性质的影响以及ZnMgO/MgO/ZnO量子阱材料特性，具体内容如下： 1．使用自洽求解Schr?dinger-Poisson方程以获得ZnMgO/ZnO异质结的子带能级、2DEG波函数和2DEG浓度等，考虑低温下ZnMgO/ZnO异质结中较为主要的散射机制，包括了ACS、位错散射（DIS）、界面粗糙散射（IRS）、声子散射（PHS）及合金无序散射（ADS）等，然后使用Matthiessen’s法则来计算总的2DEG迁移率。本文重点探索了低温下合金群散射对2DEG迁移率的影响。与此同时，根据第一性原理计算分别获得ZnO和ZnMgO的能带结构及相关参数，在此基础上，考虑到ACS、DIS、IRS、ADS和PHS等机制的作用，建立适于模拟异质结电子输运的蒙特卡罗（MC）模型，包括三能谷和五能谷MC模型，进而模拟ACS对ZnMgO/ZnO异质结低场、高场2DEG输运特性的影响。结果表明：合金群散射是一种由合金组分波动引起沟道电子能级波动的散射，因而Zn1-xMgxO势垒层的组分波动会影响2DEG迁移率。Mg组分波动越大，受ACS所限制的2DEG迁移率值越小。此外，合金群散射是ZnMgO/ZnO异质结低温下主导的散射机制之一。 2．对于含有MgO插入层纤锌矿Zn1-xMgxO/MgO/ZnO量子阱，考虑各层自发极化（SP）、压电极化（PE）效应产生内建电场的影响，采用自洽求解Schr?dinger-Poisson方程，获得2DEG的本征能级与波函数。在此基础上，研究了Zn1-xMgxO/MgO/ZnO异质结中2DEG分布的尺寸效应（SE）和三元混晶（TMC）效应。进而，使用密度矩阵方法来计算子带间光学吸收系数，探究Zn1-xMgxO/MgO/ZnO QW的结构参数对子带间跃迁光吸收的影响。研究结果表明，MgO插入层厚度和Zn1-xMgxO势垒层中Mg含量的增加均会增强ZnO势阱中的内建电场强度，导致2DEG的分布更靠近MgO/ZnO异质结界面。此外，三元混晶势垒层中Mg含量、阱宽以及势垒厚度均会影响光吸收系数。当Mg含量增加时，ITOA吸收峰发生蓝移并且峰值慢慢增大。当阱宽逐渐增大时，ITOA吸收峰峰值逐渐下降，且位置产生红移。此外，随着势垒厚度的不断增大，ITOA吸收峰发生红移，同时峰值逐渐降低。 论文研究为设计与制作高性能的ZnMgO/ZnO以及ZnMgO/MgO/ZnO异质结器件提供一定的理论参考。

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