非极性面AlGaN/GaN异质结各向异性迁移率的理论研究

摘要

GaN材料具有宽禁带、高击穿场强、高电子迁移率、高电子饱和速度、耐腐蚀、抗辐射等优势，非常有利于制作高频率、高温以及大功率器件。基于GaN异质结和二维电子气(2DEG)电导的高电子迁移率晶体管(HEMT)器件在近年来得到了广泛深入的研究。理论上，非极性GaN异质结比极性GaN异质结更易于制备增强型的HEMT器件。然而实验显示，极性GaN HEMT器件的2DEG迁移率为各向同性，且可以达到2000 cm2/(Vs)；非极性GaN HEMT器件的2DEG迁移率却表现出各向异性，且最大值只有不到200 cm2/(Vs)。非极性GaN异质结这种特殊的2DEG输运行为对非极性GaN HEMT的开发具有负面的影响，初步的研究显示其成因可能与非极性GaN异质结界面形貌的各向异性以及层错缺陷有关，但机理还很不明确。
　　基于各向异性二维电子气输运的一般理论，本文对非极性面AlGaN/GaN异质结界面的几种各向异性散射机制以及带电基底堆垛层错对2DEG迁移率的影响建立了模型并进行了定量分析，计算结果与实验数据具有很好的一致性。这些散射机制和带电层错影响迁移率的机理分别描述如下。
　　在非极性m面AlGaN/GaN异质结中，异质结界面的条纹形貌会导致各向异性的界面粗糙度散射及线电荷偶极子散射，同时也存在着失配位错散射。我们首先建立了无限长而均匀的条纹/线状散射中心的散射模型，发现条纹/线状散射中心仅改变入射的二维波矢垂直于散射中心的分量，正是这一机理引起散射及其所限制的迁移率的各向异性。随后，我们采用该模型逐一具体分析了这几种散射机制，获得其迁移率随电场角度变化的数学表达式。计算结果显示，这些散射机制引起的迁移率具有不同的各向异性特征。分析表明，这种各向异性的差异是由不同散射中心产生的性质不同的裸散射势和由2DEG性质决定的介电屏蔽效应的综合作用所导致。
　　在异质外延的非极性氮化物薄膜中，存在密度达到105cm-1的基底堆垛层错。实验证明，堆垛层错对体载流子的各向异性输运具有主导性的作用，因此对2DEG的输运应该有类似的作用，但还没有定量的理论分析。在Konar建立的堆垛层错影响体载流子输运的理论模型（载流子量子隧穿通过层错，在层错之间扩散性输运）基础上，我们考虑了2DEG的量子性质，建立了二维电子隧穿通过层错的几率随电场角度连续变化的数学模型，定量分析了层错对2DEG迁移率造成的影响。结果显示，在带电基底堆垛层错的作用下，2DEG迁移率降低了一个数量级或者更多，降低的程度与电场方向有关。分析表明，2DEG迁移率的各向异性主要受各向异性的电子隧穿过程影响，但在2DEG浓度较高且输运方向接近平行于堆垛层错的情况下，2DEG迁移率明显降低，这是由界面粗糙度散射的增强造成的。

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第一章 绪论

1.1 GaN材料的研究及发展

1.2 非极性GaN HEMT的研究发展及问题

1.3本论文的工作及内容安排

第二章 非极性GaN基器件相关理论模型

2.1 GaN材料极性与非极性的差异

2.2 二维电子气的各向异性输运理论

2 .3 非极性GaN基器件的散射机制

2 .4 非极性面AlGaN/GaN异质结的研究基础

第三章 各向异性散射影响下的非极性面AlGaN/GaN异质结2DEG迁移率

3 . 1 非极性面AlGaN/GaN异质结界面的三种各向异性散射

3 . 2 各向异性散射对2DEG影响的基本模型

3 . 3 三种散射机制对2DEG迁移率的影响

第四章 基底堆垛层错影响下的非极性面AlGaN/GaN异质结2DEG迁移率

4 . 1 基底堆垛层错影响2DEG迁移率的理论模型

4 . 2 基底堆垛层错的特征参数随2D EG浓度的变化

4 . 3 基底堆垛层错对2DEG迁移率的影响

第五章 总结

参考文献

致谢

作者简介

1. 基本情况

2. 教育背景

3. 攻读硕士学位期间的研究成果