Al(In,Ga)N-(In)GaN-GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料電學(xué)性能的研究.pdf

1、第三代半導(dǎo)體GaN基電子材料和器件研究向高頻和大功率方向得到了很大發(fā)展。常規(guī)AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)電子材料要實現(xiàn)大電流，高功率和高頻特性，AlGaN勢壘層Al組分和厚度需要增加，但是這樣則在AlGaN勢壘層引入失配位錯影響其結(jié)晶質(zhì)量，并且在外加強電場下AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)產(chǎn)生逆壓電極化效應(yīng)，這些都會引起器件性能的退化。AlInGaN四元合金具有靈活控制晶格常數(shù)（應(yīng)變）和禁帶寬度（能帶）的特性，利用這一特性可將異質(zhì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變工程和能

2、帶工程發(fā)揮到最優(yōu)，從而實現(xiàn)電學(xué)性能更為出色的異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料和HEMT器件。以InGaN為溝道層的HFET具有較好的低頻噪聲特性，且電流崩塌效應(yīng)得到有效的抑制，主要因為InGaN溝道與勢壘層形成大的導(dǎo)帶帶階顯著增強量子限制應(yīng)。然而以AlInGaN為勢壘層或以InGaN為溝道層的氮化物異質(zhì)結(jié)的輸運特性在理論上研究較少。本文的主要工作和成果如下:
　　1、基于虛晶近似的方法，提出了勢壘層采用四元合金AlInGaN材料的GaN異質(zhì)結(jié)的二維電

3、子氣的合金無序散射模型，發(fā)現(xiàn)和AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)以及AlInN/GaN異質(zhì)結(jié)相比，AlInGaN勢壘層合金無序散射限制的遷移率基于AlGaN和InAlN之間。
　　2、綜合考慮各種散射，系統(tǒng)的分析了Al(In，Ga)N/GaN異質(zhì)結(jié)材料的2DEG面密度（固定的合金組分）、勢壘層In組分（固定的面密度）、溫度、其他合金組分和AlN空間層對2DEG遷移率和合金無序散射的影響，發(fā)現(xiàn)在較高Al組分時，AlGaN、AlInN和AlIn

4、GaN三種勢壘層材料合金無序散射限制的遷移率幾乎相等。從提高電導(dǎo)率的方向考慮了適合HFET器件應(yīng)用的合金組分，在高Al組分的近晶格匹配的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)中用Ga代替In方式引入適當(dāng)?shù)膽?yīng)變，可以保持2DEG遷移率幾乎不變的情況下，提高器件的電導(dǎo)率。
　　3、采用Fang—Howard變分波函數(shù)給出了InGaN溝道合金無序散射動量弛豫率1/τi的具體模型。在AlInGaN/InGaN/GaN異質(zhì)結(jié)中，2DEG既受到勢壘層的合金無序散射，也受

5、到溝道層的合金無序散射;在固定的溝道In組分時，總的合金無序散射作用隨AlInGaN勢壘層Al組分的升高而增強，這與GaN溝道的先增強后減弱的趨勢不同;在固定勢壘層合金組分時，總的合金無序散射隨溝道In組分先增強后減弱。
　　4、研究了InGaN溝道異質(zhì)結(jié)在勢壘層分別為AlGaN、AlInN和AlInGaN的情況下二維電子氣遷移率的影響因素和物理機制。在較低的溝道In組分(0＜x＜0.3)下，InGaN溝道電子遷移率普遍低于GaN

6、溝道，其中的關(guān)鍵機理是強烈的溝道合金無序散射和界面粗糙度散射的影響。隨溝道In組分的增加，InGaN溝道異質(zhì)結(jié)材料2DEG遷移率先降低后升高，在In=0.3時達(dá)到最低，關(guān)鍵的機制是溝道In組分影響溝道電子密度以及溝道電子有效質(zhì)量。與AlInGaN/AlN/InGaN材料相比，AlInN/AlN/InGaN異質(zhì)結(jié)更有可能受到溝道In組分相分離以及溝道合金組分不均勻性的影響。InGaN溝道材料合金組分應(yīng)選擇偏GaN材料或者偏I(xiàn)nN材料，特別