Al(In,Ga)N-(In)GaN-GaN異質(zhì)結(jié)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(shí)現(xiàn)大電流，高功率和高頻特性，AlGaN勢(shì)壘層 Al 組分和厚度需要增加，但是這樣則在 AlGaN 勢(shì)壘層引入失配位錯(cuò)影響其結(jié)晶質(zhì)量，并且在外加強(qiáng)電場(chǎng)下 AlGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)產(chǎn)生逆壓電極化效應(yīng)，這些都會(huì)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

2、將異質(zhì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變工程和能帶工程發(fā)揮到最優(yōu)，從而實(shí)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?yàn)?InGaN 溝道與勢(shì)壘層形成大的導(dǎo)帶帶階顯著增強(qiáng)量子限制應(yīng)。然而以 AlInGaN為勢(shì)壘層或以 InGaN 為溝道層的氮化物異質(zhì)結(jié)的輸運(yùn)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(shì)壘層采

3、用四元合金 AlInGaN 材料的 GaN異質(zhì)結(jié)的二維電子氣的合金無(wú)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(shì)壘層合金無(wú)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(shì)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(duì)

4、2DEG 遷移率和合金無(wú)序散射的影響，發(fā)現(xiàn)在較高 Al 組分時(shí)，AlGaN、AlInN 和 AlInGaN 三種勢(shì)壘層材料合金無(wú)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

5、 溝道合金無(wú)序散射動(dòng)量弛豫率1/ it 的具體模型。在 AlInGaN/InGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)中，2DEG 既受到勢(shì)壘層的合金無(wú)序散射，也受到溝道層的合金無(wú)序散射；在固定的溝道 In 組分時(shí)，總的合金無(wú)序散射作用隨 AlInGaN 勢(shì)壘層 Al 組分的升高而增強(qiáng)，這與 GaN 溝道的先增強(qiáng)后減弱的趨勢(shì)不同；在固定勢(shì)壘層合金組分時(shí)，總的合金無(wú)序散射隨溝道 In 組分先增強(qiáng)后減弱。
4、研究了 InGaN 溝道異質(zhì)結(jié)在勢(shì)壘

6、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(jī)制。在較低的溝道 In 組分 (0