非極性面AlGaN-GaN異質結各向異性遷移率的理論研究.pdf

1、GaN材料具有寬禁帶、高擊穿場強、高電子遷移率、高電子飽和速度、耐腐蝕、抗輻射等優(yōu)勢，非常有利于制作高頻率、高溫以及大功率器件。基于GaN異質結和二維電子氣(2DEG)電導的高電子遷移率晶體管(HEMT)器件在近年來得到了廣泛深入的研究。理論上，非極性GaN異質結比極性GaN異質結更易于制備增強型的HEMT器件。然而實驗顯示，極性GaN HEMT器件的2DEG遷移率為各向同性，且可以達到2000 cm2/(Vs)；非極性GaN HEMT

2、器件的2DEG遷移率卻表現出各向異性，且最大值只有不到200 cm2/(Vs)。非極性GaN異質結這種特殊的2DEG輸運行為對非極性GaN HEMT的開發(fā)具有負面的影響，初步的研究顯示其成因可能與非極性GaN異質結界面形貌的各向異性以及層錯缺陷有關，但機理還很不明確。
　　基于各向異性二維電子氣輸運的一般理論，本文對非極性面AlGaN/GaN異質結界面的幾種各向異性散射機制以及帶電基底堆垛層錯對2DEG遷移率的影響建立了模型并進行

3、了定量分析，計算結果與實驗數據具有很好的一致性。這些散射機制和帶電層錯影響遷移率的機理分別描述如下。
　　在非極性m面AlGaN/GaN異質結中，異質結界面的條紋形貌會導致各向異性的界面粗糙度散射及線電荷偶極子散射，同時也存在著失配位錯散射。我們首先建立了無限長而均勻的條紋/線狀散射中心的散射模型，發(fā)現條紋/線狀散射中心僅改變入射的二維波矢垂直于散射中心的分量，正是這一機理引起散射及其所限制的遷移率的各向異性。隨后，我們采用該模型

4、逐一具體分析了這幾種散射機制，獲得其遷移率隨電場角度變化的數學表達式。計算結果顯示，這些散射機制引起的遷移率具有不同的各向異性特征。分析表明，這種各向異性的差異是由不同散射中心產生的性質不同的裸散射勢和由2DEG性質決定的介電屏蔽效應的綜合作用所導致。
　　在異質外延的非極性氮化物薄膜中，存在密度達到105cm-1的基底堆垛層錯。實驗證明，堆垛層錯對體載流子的各向異性輸運具有主導性的作用，因此對2DEG的輸運應該有類似的作用，但還

5、沒有定量的理論分析。在Konar建立的堆垛層錯影響體載流子輸運的理論模型（載流子量子隧穿通過層錯，在層錯之間擴散性輸運）基礎上，我們考慮了2DEG的量子性質，建立了二維電子隧穿通過層錯的幾率隨電場角度連續(xù)變化的數學模型，定量分析了層錯對2DEG遷移率造成的影響。結果顯示，在帶電基底堆垛層錯的作用下，2DEG遷移率降低了一個數量級或者更多，降低的程度與電場方向有關。分析表明，2DEG遷移率的各向異性主要受各向異性的電子隧穿過程影響，但在2