ALGaN/ALN/GaN异质结二维电子气的磁输运特性研究

摘要

宽禁带半导体中,GaN具有禁带宽度大、热导率大、击穿场强高、电子饱和漂移速度高等特点,其在高温以及微波功率器件制造方面具有非常明显的优势。在Ⅲ族氮化物材料体系中,AlGaN／GaN异质结构是典型的高导带阶跃、强极化电场低维半导体结构体系,在AlGaN／GaN异质界面插入薄层AlN形成的AlGaN／AlN／GaN异质结构更优于常规的AlGaN／GaN异质结,所以对AlGaN／AlN／GaN异质结构中2DEG的输运性质以及散射机制的研究对丰富和发展半导体低维物理学有重要的科学意义。
　　 半导体异质结二维电子气的磁阻SdH振荡是由电子的量子效应引起的,反映朗道能级态密度在费米面处的变化。通过磁输运测量来研究二维电子气的磁阻振荡,可以获得丰富的材料电学特性以及电子的子带性质。
　　 本论文采用碳化硅衬底,利用MOCVD生长技术制备出高质量的Al0.30Ga0.70N／AlN／GaN异质结构,采用Steppper光刻方式对其进行光刻,制成霍尔桥样品。采用电子束蒸发的方法在样品表面蒸发Ti／Al／Ni／hu金属,然后退火合金,形成欧姆接触,引线采用金丝锲焊方式连接到封装管壳的管脚。利用低频锁相放大技术测量了样品的磁阻和霍尔电阻,系统地研究了Al0.30Ga0.70N／AlN／GaN异质结构的磁输运性质。
　　 首先对Al0.30Ga0.70N／AlN／GaN异质结构进行变温霍尔测量,得到在AlN／GaN界面处有二维电子气存在且迁移率和浓度在2 K温度时分别达到了1.32×1013cm-2和11237cm2／Vs且在测量温度范围内二维电子气的浓度基本不变。通过变磁场霍尔测量发现只有一种载流子参与导电。
　　 在2K温度下,观察到量子霍尔效应,Shubnikov-de Haas(SdH)振荡在磁场约为2.3T时出现,证明了此结构呈现典型的二维电子气行为。
　　 在4.2K～10K温度下,通过对变温舒伯尼科夫-德哈斯(SdH)振荡的测量和分析,确定了Al0.30Ga0.70N／AlN／GaN异质结构中2DEG的有效质量。
　　 通过实验数据对二维电子气散射过程的半定量分析,推出经典输运散射时间和量子散射时时间的比值,发现低温下小角度散射占据主导地位。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

§1.1 GaN材料简介

§1.2AlGaN/GaN异质结微波功率的优势

§1.3本文的研究背景与内容安排

第二章 GaN基异质结的相关基础研究

§2.1Ⅲ族氮化物材料的能带结构

§2.2AlxGa1-xN/GaN异质结的极化电荷

2.2.1 2DEG的密度

2.2.2 2DEG的迁移率

§2.3 AlxGa1-xN/GaN异质结2DEG的经典输运性质

§2.4 AlN阻挡层对AlGaN/GaN异质结性能的影响

§2.5本章小结

第三章 二维电子气系统的磁输运理论

§3.1 2DEG的经典输运理论

§3.2 2DEG的磁量子输运理论

3.2.1 二维电子气的朗道能级

3.2.2 量子Hall效应

§3.3 2DEG中的相干散射现象

第四章 AlGaN/AlN/GaN异质结构材料制备和磁输运测量

§4.1 AlGaN/AlN/GaN异质结构的制各

§4.2 AlGaN/AlN/GaN异质结构的表征

§4.3 Hall bar器件的制作

§4.4磁输运测试系统和测量方法

4.4.1 测试系统

4.4.2 测量方法

§4.5 本章小结

第五章 AlGaN/AlN/GaN异质结构SdH振荡研究

§5.1样品结构和实验

§5.2磁阻SdH振荡研究

§5.3 2DEG的有效质量

§5.4 2DEG的散射机制

§5.5温度为2K时的SdH振荡和量子霍尔平台

§5.6本章小结

第六章 结束语

致谢

参考文献

研究成果