双轴应变下AlGaN/GaN二维电子气迁移率的计算

摘要

随着在各种军事和商用无线通信中对高功率高效率的微波晶体管放大器和转换器件需求的日益增长，AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）由于其特殊的材料性质：高击穿电场、高电子饱和速率和高工作温度已经成为现在的研究热点。AlGaN/GaN界面处的二维电子气（2DEG）迁移率是描述HEMT特性的一个重要传输参数。更重要的是，作为提高电荷输运特性的一种新方法，应变工程在现代器件技术中起着重要的作用。因此，研究应变对2DEG迁移率的影响对提高HEMT的性能具有重要的意义，本文以双轴应变下AlGaN/GaN中2DEG的迁移率的理论计算为核心展开研究，主要工作如下：
　　首先利用第一性原理计算了双轴应变下GaN的相关物理参数，并详细讨论了这些物理参数对单独散射机制迁移率和总迁移率的影响，结果表明：
　　（1）极化光学声子能量是室温下影响2DEG迁移率最重要的物理参数，2DEG迁移率随着声子能量的增大单调增大，在其它参数保持不变的情况下，迁移率的变化率是声子能量变化率的3倍。
　　（2）高频介电常数与双轴应变的关系近似一个抛物线，随着高频介电常数的增大迁移率逐渐增大；低频介电常数与应变的关系是线性的，在300K时随着低频介电常数的增大迁移率不断减小，而在77K时迁移率随低频介电常数的增加逐渐增大。介电常数对总迁移率的影响是很小的。
　　（3）弹性常数是随着张应变的增大而减小，随着压应变的增大而增大。在2％的应变范围内，纵向弹性常数在10%左右变化，而横向弹性常数的变化率更大达到25%左右。然而，弹性常数对迁移率的贡献是很小的，不到0.5%。
　　其次，本文利用已经计算的应变下的物理参数结合AlGaN/GaN异质结构电子的散射机制通过MATLAB分别计算八种散射机制单独作用的迁移率和总迁移率并加以分析，主要结果如下：
　　（4）在温度为300K时，低浓度下迁移率在应变下的变化趋势是与极化光学声子散射一致的。然而，当2DEG浓度超过4×1013cm-2时总迁移率在应变下的变化趋势与合金散射一致。在低温77K时，低浓度下应变对迁移率几乎没有影响，随着浓度的不断增大，合金散射成为主要散射机制，最终迁移率的变化趋势与合金散射相同。
　　（5）在浓度固定的情况下，低温迁移率是随着张应变的增大而增大，随着压应变的增大而减小；当温度升高到150K左右时，这种关系发生反转。
　　（6）对锆钛酸铅（Zr和Ti的原子比为52/48）施加2×108N/C的直流电场可以产生2%的应变效果，通过对电场方向的调整可以实现张应变或压应变，这样就可以实现电场对迁移率的调制。

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第一章 绪论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 AlGaN/GaN HEMT器件的2DEG迁移率的研究进展

1.3 目前的问题

1.4 本论文的研究内容及安排

第二章 AlGaN/GaN HEMT的物理特性和基本原理

2.1 AlGaN/GaN HEMT的极化效应

2.2 AlGaN/GaN HEMT 中的2DEG

2.3 AlGaN/GaN异质结构中2DEG散射机制

2.4 本章小结

第三章 双轴应变下GaN相关物理参数的模拟计算

3.1 参数计算的目的和意义

3.2 密度泛函理论

3.3 计算的过程和方法

3.4 计算结果与分析

3.5 本章小结

第四章 双轴应变对AlGaN/GaN 2DEG散射机制的影响

4.1 应变对声子散射的影响

4.2 应变对其它散射机制的影响

4.3 本章小结

第五章 双轴应变下AlGaN/GaN HEMT 2DEG迁移率的计算

5.1 双轴应变对室温下2DEG迁移率的影响

5.2 双轴应变对低温（77K）2DEG迁移率的影响

5.3 双轴应变对不同浓度下2DEG迁移率的影响

5.4 PZT/AlGaN/GaN结构—电场实时调制迁移率的探索

5.5 本章小结

第六章 结论

致谢

参考文献

攻硕期间的研究成果