基于蒙特卡洛方法的Ⅲ-V族氮化物半导体输运特性研究

摘要

近年来,随着 III-V族氮化物半导体生长技术的进步,基于 III-V族氮化物半导体的器件表现出越来越优异的性能,并逐渐开始进入应用领域,相应的输运研究也得到了广泛的关注。为了能够准确的对 III-V族半导体器件进行准确建模和预测器件性能,需要对其输运特性进行研究,建立适应于 III-V族器件输运的关键参数,如迁移率和扩散系数模型。由于 III-V族氮化物半导体经常工作在强场和高频条件下,为了能够准确描述其输运特性,蒙特卡洛方法在 III-V族半导体输运研究总得到了比较多的应用。本文对 III-V族氮化物半导体材料的输运特性进行了系统的研究,所取得的主要研究成果为:
　　1.开发了基于蒙特卡洛方法的输运平台,可以对 III-V族氮化物半导体输运特性进行仿真。针对 III-V族氮化物半导体的散射特性,基于系综蒙特卡洛方法,开发了可以对各种 III-V族氮化物半导体进行瞬态和稳态输运仿真的平台。最后,通过将蒙特卡洛方法和泊松方程进行耦合,建立了可以用于一维半导体器件仿真的模拟器。
　　2.对 III-V族氮化物半导体的瞬态输运特性进行了研究。基于蒙特卡洛输运平台,对纤锌矿 InN的瞬态输运,能量和动量弛豫过程进行了深入的研究,结合弛豫研究,对稳态输运中出现的负微分迁移率的物理机制进行了系统阐述。针对InN电子结构各向异性的特点,对其各向异性输运特性进行了研究。针对纤锌矿和闪锌矿 InN,对过去很少研究的速度下冲现象进行了仿真,阐述了速度下冲产生的物理机制。最后对纤锌矿 GaN中的速度上冲和下冲现象进行了仿真。
　　3.对 III-V族氮化物半导体的动量和能量弛豫过程进行了系统的研究。目前在 III-V族氮化物的研究中,其弛豫过程还未见研究。为了满足能量平衡方程对弛豫时间模型的要求,对纤锌矿 GaN,InN和 AlN的动量和能量弛豫过程进行了研究,得到了动量和能量弛豫时间随电子温度的变化,为建立相应的模型建立了基础。同时,掺杂浓度对动量和能量弛豫时间的影响进行了研究,研究表明,建立准确的解析模型除了温度,还需要考虑掺杂浓度的影响。
　　4.对 III-V族氮化物半导体的稳态输运特性进行了研究。针对目前在 III-V族氮化物半导体输运研究中缺少对扩散系数研究的现状,基于蒙特卡洛方法,时间相关函数和二次中心矩方法,对纤锌矿 GaN和 InN的扩散系数进行了研究,明确了扩散系数随电场,温度,掺杂浓度和频率的变化关系。基于扩散系数的研究和爱因斯坦关系,建立了纤锌矿 InN各向异性迁移率解析模型,该模型可以直接用于器件仿真软件,同时对纤锌矿 InN高场输运行为进行了研究,该数据可以用于建立解析的高场迁移率模型。
　　5.对均匀掺杂耿氏二极管太赫兹源的输运特性进行了研究。基于蒙特卡洛方法和泊松方程,在太赫兹频段,对均匀掺杂 GaN耿氏二极管,在直流和交流偏置下,对其输运行为进行了研究,明确了产生耿氏振荡的物理机理。研究表明,当积累畴运动到阳极,并不一定导致电流的增加,器件内部的平均速度比电子浓度对电流的影响更大。该研究表明,准确的进行基于耿氏二极管的太赫兹源研究需要采用蒙特卡洛方法,传统的漂移扩散模型不能准确描述耿氏二极管电子输运特性和解释太赫兹源产生机理。

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第一章 绪 论

1.1 半导体输运研究背景及意义

1.2 III-V 族氮化物半导体输运研究现状

1.3 本文的主要研究工作与内容安排

第二章 蒙特卡洛输运模拟原理

2.1 输运方法概述[2.1]

2.2 蒙特卡洛方法输运原理

2.3 蒙特卡洛平台开发

2.4 本章小结

第三章 III-V 族氮化物半导体瞬态输运研究

3.1 瞬态研究的必要性

3.2 速度上冲和电子弛豫过程研究

3.3 速度下冲研究

3.4 本章小结

第四章 III-V 族氮化物动量和能量弛豫时间模型研究

4.1 研究能量弛豫时间模型的必要性

4.2 能量和动量弛豫时间计算方法

4.3 纤锌矿 GaN，InN 和 AlN 动量弛豫时间和能量弛豫时间机制研

4.4 本章小结

第五章 III-V 族氮化物半导体稳态输运研究

5.1 稳态输运研究的必要性

5.2 扩散系数研究

5.3 低场迁移率研究

5.4 高场输运研究

5.5 本章小结

第六章 基于蒙特卡洛的耿氏二极管太赫兹源输运研究

6.1 基于耿氏二极管的太赫兹研究

6.2 蒙特卡洛方法和泊松方程耦合输运研究[6.27-6.30]

6.3 均匀掺杂耿氏二极管仿真结果

6.4 本章小结

第七章 结束语

7.1 论文工作总结及主要创新点

7.2 未来工作展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间的研究成果