立方体GaN材料及其异质结输运特性的相关研究

摘要

闪锌矿(立方体)GaN是现在还研究得比较少的材料,它可以应用于增强型器件和光学器件当中。它的一些优良特性应该引起研究人员的关注。它没有纤锌矿GaN强烈的极化电荷。本文以闪锌矿GaN材料为研究对象,对其体结构输运特性、闪锌矿AlGaN/GaN异质结中二维电子气输运特性、闪锌矿GaN HEMT特性进行了不同方法的研究。主要研究内容和成果如下:
　　1.用蒙特卡罗方法研究了闪锌矿GaN体结构的输运特性。通过确定电子在所加电场当中的自由飞行时间、对自由飞行的处理、使用随机数的方式决定散射机制、选择散射终态以及分布函数的平均量统计等过程,获得了一个较为收敛的闪锌矿GaN体结构输运特性。电场较低时,电子漂移速度与电场成线性关系,当电场增加,电子漂移速度达到峰值并迅速下降,产生负阻。体结构中电子的迁移率随温度的增加会迅速的减小。
　　2.建立了闪锌矿AlGaN/GaN异质结中2DEG的输运模型,主要考虑了声学声子散射、调制掺杂远程杂质散射、合金无序散射、界面粗糙度散射、位错散射等。根据这个模型,我们研究了温度、二维电子气面密度、势垒层中调制杂质掺杂浓度、势垒层厚度、AlGaN势垒层中Al含量百分比对迁移率的影响。对于二维电子气面密度的影响,迁移率曲线随着面密度的增加呈现出先上升后下降趋势,在8′1011cm-2处出现峰值。在2DEG浓度相同时,温度升高将会降低总迁移率。对于势垒层中Al含量对于迁移率的影响,迁移率随着Al含量x的增加而先增加后减小,在0.3左右出现了迁移率最大值。势垒层中掺杂浓度对迁移率浓度的影响,在1018cm-3到1019cm-3范围内我们得到的结论是随着掺杂浓度增加,迁移率变化不大。
　　3.本文为了研究闪锌矿GaN构成器件之后的特性,引入了软件仿真的方法。对闪锌矿GaN构成的高电子迁移率晶体管进行了沟道内电子分布与掺杂浓度关系、沟道中电流与栅压的关系仿真,得到了低掺杂浓度可以导致低二维电子气浓度结论,为制造增强型GaN器件创造了可能。在接下来得到的器件转移特性曲线中看到,我们得到了阈值电压大约为0.4V的增强型闪锌矿GaN HEMT器件。

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第一章 绪论

1.1 立方体 GaN 简介

1.2 纤锌矿 GaN 的不足与闪锌矿 GaN 研究的必要性

1.3 闪锌矿结构 GaN 材料生长工艺简介

1.4 立方体 GaN 材料及其异质结研究的背景

1.5 本文的主要内容与安排

第二章 GaN 材料及其异质结和器件研究相关基础

2.1 异质结的形成与二维电子气

2.2 增强型 AlGaN/GaN HEMT 的基础理论

本章小结

第三章 蒙卡方法对体结构立方体 GaN 速场关系的研究

3.1 蒙特卡罗方法简介

3.2 蒙特卡罗方法在半导体研究中的应用

3.3.模型描述

3.4 运用蒙特卡罗方法对闪锌矿 GaN 体材料研究的参数

3.5 模拟结果分析

本章小结

第四章 立方体 GaN 基异质结 2DEG 的迁移率模型

4.1 2DEG 面密度

4.2 输运特性动量弛豫散射模型的建立

4.3 面密度计算及迁移率模型正确性的验证

4.4 结构参数与温度对闪锌矿 AlGaN/GaN 异质结 2DEG 迁移率的影响

本章小结

第五章 闪锌矿 GaN 基 HEMT 的基本模型和器件特性

5.1 器件仿真的软件平台

5.2 器件基本模型

5.3 杂质掺杂浓度对二维电子气浓度影响

5.4 闪锌矿 AlGaN/GaN 异质结 HEMT 的转移特性

本章小结

第六章 总结与展望

致谢

参考文献

研究生阶段研究成果