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AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管中二维电子气的极化光学声子散射

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物理学报 2020年第15期69卷 237-242页

作者：张雪冰刘乃漳姚若河华南理工大学电子与信息学院广州510640

AlGaN/GaN界面处的二维电子气迁移率是描述高电子迁移率晶体管特性的一个重要参数,极化光学声子散射是高温时限制二维电子气迁移率的主要散射机制.本文对极化光学声子散射进行计算,结果表明在二维电子气浓度为6×10^11-1×10^13 cm^–2... 详细信息

AlGaN/GaN界面处的二维电子气迁移率是描述高电子迁移率晶体管特性的一个重要参数,极化光学声子散射是高温时限制二维电子气迁移率的主要散射机制.本文对极化光学声子散射进行计算,结果表明在二维电子气浓度为6×10^11-1×10^13 cm^–2,温度为200-400 K范围内,极化光学声子散射因素决定的迁移率随温度的变化近似为μPO=AT-α(α=3.5);由于GaN中光学声子能量较大,吸收声子对迁移率的影响远大于发射声子的影响.进一步讨论了极化光学声子散射因素决定的迁移率随光学声子能量变化的趋势,表明增加极化光学声子能量可提高二维电子气的室温迁移率.

关键词：二维电子气极化光学声子散射高温迁移率光学声子能量

InAlN/GaN异质结二维电子气波函数的变分法研究

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物理学报 2018年第2期67卷 234-239页

作者：李群陈谦种景西安理工大学自动化与信息工程学院西安710048 中国卫星海上测控部江阴214431

使用变分法推导了InAlN/GaN异质结二维电子气波函数和基态能级的解析表达式,并讨论了InAlN/GaN异质结结构参数对二维电子气电学特性的影响.在假设二维电子气来源于表面态的前提下,使用了一个包含两个变分参数的尝试波函数推导电子总能... 详细信息

使用变分法推导了InAlN/GaN异质结二维电子气波函数和基态能级的解析表达式,并讨论了InAlN/GaN异质结结构参数对二维电子气电学特性的影响.在假设二维电子气来源于表面态的前提下,使用了一个包含两个变分参数的尝试波函数推导电子总能量期望值,并通过寻找能量期望极小值确定变分参数.计算结果显示,二维电子气面密度随InAlN厚度的增大而增大,且理论结果与实验结果一致.二维电子气面密度增大抬高了基态能级与费米能级,并保持二者之差增大以容纳更多电子.InAlN/GaN界面处的极化强度失配随着In组分增大而减弱,二维电子气面密度随之减小,并导致基态能级与费米能级减小.所建立的模型能够解释InAlN/GaN异质结二维电子气的部分电学行为,并为电子输运与光学跃迁的研究提供了解析表达式.

关键词： InAlN/GaN异质结二维电子气变分法波函数

Ⅳ-Ⅵ族化合物半导体异质结二维电子气研究进展

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物理学报 2019年第16期68卷 26-41页

作者：马嵩松舒天宇朱家旗李锴吴惠桢浙江大学物理学系硅材料国家重点实验室

半导体异质结在探索新奇物理和发展器件应用等方面一直发挥着不可替代的作用.得益于其特有的能带性质,相对较窄的带隙和足够大的自旋轨道耦合相互作用,Ⅳ-Ⅵ族化合物半导体异质结不仅在红外器件应用方面具有重要的研究价值,而且在拓扑... 详细信息

半导体异质结在探索新奇物理和发展器件应用等方面一直发挥着不可替代的作用.得益于其特有的能带性质,相对较窄的带隙和足够大的自旋轨道耦合相互作用,Ⅳ-Ⅵ族化合物半导体异质结不仅在红外器件应用方面具有重要的研究价值,而且在拓扑绝缘体和自旋电子学等前沿领域引起了广泛的关注.尤为重要的是,在以 CdTe/PbTe 为代表的Ⅳ-Ⅵ族化合物半导体异质结界面上发现了高浓度、高迁移率的二维电子气.该电子气的形成归因于Ⅳ-Ⅵ族化合物半导体异质结独特的扭转界面.进一步的研究表明,该二维电子气体系不仅对红外辐射有明显响应,而且它还表现出狄拉克费米子的性质.本文系统综述了近年来Ⅳ-Ⅵ族化合物半导体异质结二维电子气研究取得的主要进展.首先对Ⅳ-Ⅵ族化合物半导体异质结扭转界面二维电子气的形成机理进行了介绍;然后讨论该二维电子气在低温强磁场下的输运性质,并分析了它的拓扑性质以及在自旋器件方面的应用前景;最后,展示了基于该二维电子气研制的中红外光电探测器.

关键词： Ⅳ-Ⅵ化合物半导体异质结二维电子气狄拉克费米子红外探测器

磁场对二维电子气表面电激发状态影响的理论研究

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磁场对二维电子气表面电激发状态影响的理论研究

作者：陈爽内蒙古民族大学

学位级别：硕士

二维电子气（2DEQ）是电子在二维平面内自由运动,并在垂直于该平面方向运动受到限制,近年来是凝聚态物理、等离子体物理的研究热点之一。Novoselov在2004年成功的制备出石墨烯,由于其独特的结构和物理性质,被视为理想的二维电子气。在... 详细信息

二维电子气（2DEQ）是电子在二维平面内自由运动,并在垂直于该平面方向运动受到限制,近年来是凝聚态物理、等离子体物理的研究热点之一。Novoselov在2004年成功的制备出石墨烯,由于其独特的结构和物理性质,被视为理想的二维电子气。在石墨烯二维电子气中,其自由电子是无质量的Dirac费米子,其电子性质需用Dirac方程进行描述,这是石墨烯二维电子气不同于一般金属导体或半导体异质结构二维电子气的根本原因所在。所以石墨烯二维电子气在纳米技术、医疗、电子设备等方面都有广阔的应用前景,因此对二维电子气的研究在将来的生活,科技等方面有很重要的意义。本文主要采用线性化自旋量子流体动力学（Spin Quantum Hydrodynamics SQHD）模型,研究了在磁场作用下带电粒子与二维电子气平面之间的相互作用的影响。第二章中采用线性化自旋量子流体动力学模型,在磁场作用下对存在绝缘介质时入射带电粒子与二维电子气之间的相互作用的影响,并讨论了磁场强度、波数、角频率和基底介电常数等对电子气密度、感应势、阻止力、侧向力以及自能的影响。计算结果表明,对扰动电子气密度,其分布出现了以无磁场时振荡曲线为包络线的波长更短的振荡,磁场强度越强振荡越强,而磁场的角频率和波数不仅影响振荡的强度,还对振荡的波长有一定的影响,基底的存在,使电子气振荡减弱。对阻止力、侧向力以及自能,在低速区,磁场参量对三者的影响比介电常数更加明显,在高速区,三者均出现了振荡衰减的情况,磁场参量对振荡的强度、波长均有一定的影响,而基底的存在,使得三者衰减的速度产生区别。此外,磁场参量对自旋向上和自旋向下两种情况的影响是不同的,尤其是产生的附加振荡方向是相反的,而基底的介电常数对自旋向上和向下两种情况没有明显的影响。第三章研究了在磁场作用下带电粒子与双层二维电子气之间的相互作用的影响。结果表明,磁场的强度对扰动电子气密度和感应势的振荡均有一定的影响。由于考虑了自旋与磁场的相互作用,与无外磁场的情况相比,电子气密度和感应势的分布出现了以无磁场时的振荡曲线为包络线的波长更短的振荡,随着磁场强度的增大,磁场对自旋向上和自旋向下时电子气密度和感应势的影响明显不同,在同一位置处,自旋向上和向下时所对应的电子气密度和感应势由磁场引起的振荡方向是相反的。此外,由于两个电子气平面所产生的的感应电场之间的耦合作用,使阻止力、侧向力和自能出现了明显的双峰结构。磁场的强度和振荡波数对阻止力、侧向力和自能均有一定的影响,与无磁场情况相比,三者均出现了在高速区振荡衰减的情况,磁场强度越大,振荡越明显,磁场波数越大,振荡的幅值变小、波长变短,在给定速度的情况下,阻止力、侧向力和自能对应于自旋向上和自旋向下的振荡方向是相反的。当带电粒子在双层二维电子气之间运动时,阻止力、侧向力和自能的双峰结构变得不明显,自旋效应只改变峰值大小,并不改变峰值位置。第四章中研究了自旋效应对带电粒子与存在绝缘基底的双层二维电子气之间相互作用的影响,分析了外加磁场的强度、波数、角频率对阻止力、侧向力和自能的影响。结果表明,在低速区,介电常数和磁场参数对于阻止力和侧向力的影响不明显,随着速度的增大,阻止力和侧向力曲线均出现明显的双峰结构,在给定磁场强度的情况下,介电常数增大,阻止力在低速区较小的峰值消失,而较大的峰值向低速区移动,侧向力则是速度较大时对应的峰值消失并向低速区移动。随着速度进一步增大,介电常数越大,阻止力越小,而侧向力却越大。在给定介电常数的情况下,振荡磁场的强度、角频率和波数均对阻止力和侧向力有明显的影响,尤其是在速度较高区域,振荡磁场强度、角频率和波数增大时,阻止力和侧向力振荡的幅值均变大,而且,磁场振荡波数增大时,阻止力和侧向力振荡的波长是变小的。在给定速度的情况下,对应于自旋向上和自旋向下的阻止力和侧向力振荡的方向相反。在第五章中,对整体研究内容进行了概括和总结。

关键词：线性化自旋量子流体动力学模型变化磁场二维电子气绝缘基底自旋效应

MX2(WSe2,MoTe2)/KTaO3基二维电子气异质结的光电性能研究

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MX2(WSe2,MoTe2)/KTaO3基二维电子气异质结的光电性能研究

作者：李举苏州科技大学

学位级别：硕士

过渡金属硫化物(TMD)是一类典型的二维层状材料。不同于零带隙的石墨烯,随着层数的减少,它们可以从间接带隙半导体转变成直接带隙半导体,在光电器件领域具有良好的应用前景。除了二维层状材料,另一类二维材料——氧化物界面/表面二维电... 详细信息

过渡金属硫化物(TMD)是一类典型的二维层状材料。不同于零带隙的石墨烯,随着层数的减少,它们可以从间接带隙半导体转变成直接带隙半导体,在光电器件领域具有良好的应用前景。除了二维层状材料,另一类二维材料——氧化物界面/表面二维电子气(2DEG)也引起了研究者们的广泛关注。二维层状材料/过渡金属氧化物异质结很可能表现出单个材料所不具备的新颖的物理现象,为发展新型微纳光电探测器、高性能光电存储器等提供新的思路。通过将p型的TMD材料WSe与n型的La Al O(LAO)/KTa O(KTO)界面2DEG组合在一起,制备成了WSe/2DEG p-n异质结,并研究了该异质结在室温下的光电性能。WSe/2DEG异质结在+7 V的偏置电压下表现出良好的电流调制特性。与LAO/KTO界面的2DEG相比,WSe/2DEG异质结在可见光照射下表现出显著增强的光响应,在405 nm光照下,I/I提高了近100倍。该工作证明了氧化物2DEG与其他不同体系的材料结合起来形成异质结的可行性,有助于促进凝聚态物理中基础科学的探索与多功能电子和光电子纳米器件的发展。采用Ar辅助轰击法制备了KTO表面准二维电子气(Q2DEG),并与金属性TMD材料1T’-Mo Te组成Mo Te/Q2DEG肖特基二极管。该肖特基二极管在室温表现出高度可调的电输运行为,通过施加偏置电压,可以实现从绝缘到导电的转变,且该过程是可逆的。该研究提供了一种额外的调制p-n结或肖特基二极管的方法,为用于集成信息存储的二维纳米电子器件的发展铺平了道路。进一步研究了Mo Te/Q2DEG二极管在低温下的电输运性质以及光响应。在黑暗环境下,二极管的结电阻会随着温度的降低而增大,10 K时绝缘。光照时,光响应随着温度的降低而迅速增加,在10 K时,I/I可高达八个数量级。另外,该异质结在低温下可实现可擦除式光存储。充光(存储)饱和后,正向偏压下放电(擦除)过程是缓慢的,而反向偏压下则是瞬间的。这些结果表明Mo Te/Q2DEG肖特基二极管在未来的光电存储、光电开关等器件中具有潜在的应用前景。

关键词：过渡金属硫化物二维电子气 p-n结肖特基二极管光响应

氮化镓高电子迁移率晶体管中二维电子气输运性质的研究

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氮化镓高电子迁移率晶体管中二维电子气输运性质的研究

作者：汤金金兰州大学

学位级别：硕士

随着高频通信、电动汽车以及新能源技术等领域的兴起和高速发展,各行各业对半导体材料和器件的性能提出了越来越高的要求。以Si和GaAs为代表的第一、二代半导体材料,由于自身材料性能的限制,已逐渐无法满足现代信息技术发展的需要。近些... 详细信息

随着高频通信、电动汽车以及新能源技术等领域的兴起和高速发展,各行各业对半导体材料和器件的性能提出了越来越高的要求。以Si和GaAs为代表的第一、二代半导体材料,由于自身材料性能的限制,已逐渐无法满足现代信息技术发展的需要。近些年,随着半导体技术的发展,以氮化镓(gallium nitride,GaN)为代表的第三代宽禁带半导体材料和器件的研发和生产逐渐开始走向成熟,其优良的物理和化学特性赋予了GaN基器件更好的高频高压特性和稳定性。纤锌矿结构的GaN自身具有较强的极性,由于自发极化和压电极化的不同,在AlGaN/GaN异质结界面处会产生高密度的极化电荷,进而导致异质结界面处具有很高浓度的二维电子气(two-dimensional electron gas,2DEG)。由于没有掺杂,GaN高电子迁移率晶体管(high electron mobility transistors,HEMTs)中的2DEG具有较高的迁移率,这使GaN HEMTs器件具有很好的高频特性和较短的响应时间。为了进一步提高GaN HEMTs器件的性能,必须通过先进的器件工艺和器件结构设计来降低器件内部2DEG受到的散射,进而提高载流子的迁移率。因此,对于GaN HEMTs器件中的2DEG输运性质的研究就显得尤为重要。本文主要的研究内容如下:1.研究了引入GaN中间层提高InAlN/AlN/GaN/InGaN/GaN HEMTs中2DEG迁移率的物理机制。结果表明GaN中间层的引入显著改变了2DEG在前两个子带上的分布以及迁移率。随着GaN中间层的厚度从1 nm增加到6 nm,第一子带上的电子所受到的合金无序散射显著降低。然而,第二子带上仍有较多的电子分布在InGaN沟道区域,因此,第二子带上的2DEG迁移率仍主要由合金无序散射决定。此外,随着GaN中间层厚度的增加,两个子带上的极性光学声子散射也在逐渐减弱。2.研究了质子辐照致使AlGaN/AlN/GaN HEMTs性能退化的机制,结果表明质子辐照在器件内部产生的Ga空位会造成2DEG浓度和迁移率的下降。Ga空位是一种类受主缺陷,分布在AlGaN势垒层中的电离的Ga空位会使器件的能带结构发生改变,其结果是造成2DEG的浓度降低。此外,分布在GaN沟道内的Ga空位会俘获电子,这会使2DEG的浓度进一步降低。GaN沟道内的Ga空位类似于电离杂质,这会显著增强2DEG受到的散射,致使2DEG的迁移率显著下降。3.研究了AlGaN背势垒的引入对AlGaN/AlN/GaN HEMTs的抗辐照性能的影响。计算结果表明,AlGaN背势垒的引入使器件的抗辐照性能下降。在相同剂量和能量的质子辐照下,相较于AlGaN/AlN/GaN HEMTs,AlGaN/AlN/GaN/AlGaN HEMTs中2DEG迁移率的下降更为明显。

关键词：氮化镓高电子迁移率晶体管二维电子气电子输运迁移率质子辐照

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二维电子气等离激元太赫兹波器件

中国光学 2017年第1期10卷 51-67页

作者：秦华黄永丹孙建东张志鹏余耀李想孙云飞中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所中国科学院纳米器件与应用重点实验室江苏苏州215123 中国科学院大学北京100049 中国科学技术大学纳米技术与纳米仿生学院江苏苏州215123 苏州科技大学电子与信息工程学院江苏苏州215009

固态等离激元太赫兹波器件正成为微波毫米波电子器件技术和半导体激光器技术向太赫兹波段发展和融合的重要方向之一。本综述介绍AlGaN/GaN异质结高浓度和高迁移率二维电子气中的等离激元调控、激发及其在太赫兹波探测器、调制器和光源... 详细信息

固态等离激元太赫兹波器件正成为微波毫米波电子器件技术和半导体激光器技术向太赫兹波段发展和融合的重要方向之一。本综述介绍AlGaN/GaN异质结高浓度和高迁移率二维电子气中的等离激元调控、激发及其在太赫兹波探测器、调制器和光源中应用的近期研究进展。通过光栅和太赫兹天线实现自由空间太赫兹波与二维电子气等离激元的耦合,通过太赫兹法布里-珀罗谐振腔进一步调制太赫兹波模式,增强太赫兹波与等离激元的耦合强度。在光栅-谐振腔耦合的二维电子气中验证了场效应栅控的等离激元色散关系,实现了等离激元模式与太赫兹波腔模强耦合产生的等离极化激元模式,演示了太赫兹波的调制和发射。在太赫兹天线耦合二维电子气中实现了等离激元共振与非共振的太赫兹波探测,建立了太赫兹场效应混频探测的物理模型,指导了室温高灵敏度自混频探测器的设计与优化。研究表明,基于非共振等离激元激发可发展形成室温高速高灵敏度的太赫兹探测器及其焦平面阵列技术。然而,固态等离激元的高损耗特性仍是制约基于等离激元共振的高效太赫兹光源和调制器的主要瓶颈。未来的研究重点将围绕高品质因子等离激元谐振腔的构筑,包括固态等离激元物理、等离激元谐振腔边界的调控、新型室温高迁移率二维电子材料的运用和高品质太赫兹谐振腔与等离激元器件的集成等。

关键词：二维电子气等离激元太赫兹氮化镓

多沟道氮化镓异质结二维电子气与能带图的建模

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多沟道氮化镓异质结二维电子气与能带图的建模

作者：许琦辉西安电子科技大学

学位级别：硕士

Ⅲ族氮化物半导体材料因为其高载流子密度,高迁移率的二维电子气和高击穿电压,成为制作新一代高电子迁移率晶体管的主要选择。同时,多沟道GaN异质结构在高电子迁移率晶体管中被广泛应用,并以此实现高跨导线性度,低导通电阻和大输出电流... 详细信息

Ⅲ族氮化物半导体材料因为其高载流子密度,高迁移率的二维电子气和高击穿电压,成为制作新一代高电子迁移率晶体管的主要选择。同时,多沟道GaN异质结构在高电子迁移率晶体管中被广泛应用,并以此实现高跨导线性度,低导通电阻和大输出电流。然而,不同的异质结构和极性将导致器件性能的显著差异,在有些异质结构中,二维空穴气也参与其中。这样的复杂情况导致了对多沟道高电子迁移率晶体管器件建模分析的困难。本文在此背景下提出了一种多沟道GaN异质结构的解析模型,通过结合各异质结界面电位移矢量连续,泊松方程和整个异质结构的电中性等特点,对任意给定结构和极性的多沟道GaN异质结构的能带图和载流子分布进行分析。计算了包含有意掺杂的常见Ga极性和N极性多沟道结构,并讨论了二维电子气和二维空穴气同时或分别存在于一层沟道内的情况。本文模型的计算结果与广泛使用的薛定谔-泊松方程自洽解模型或Atlas@Silvaco商用软件的计算结果进行比较,以此验证模型的可行性。本文具体的工作成果如下:1.对Ga极性多沟道GaN异质结构的能带图和二维电子气分布进行建模。计算了沟道内仅存在二维电子气的单沟道和多沟道常见高电子迁移率晶体管结构。讨论了Al GaN背势垒、GaN帽层、Al N插入层和In GaN插入层同时或分别存在时的建模方式,并且使用与二维电子气类似的方法对二维空穴气及其量子阱进行了建模,对使用In GaN沟道的非有意掺杂P沟道高电子迁移率晶体管结构进行了建模。2.通过建立的Ga极性模型,对单沟道和双沟道结构的二维电子气分布受衬底应力的影响进行了研究,并结合拉曼测试,理论计算了其2峰光谱波束移动造成的二维电子气浓度变化。计算得出当外延结构的2峰位改变2cm-1时,GaN缓冲层晶格常数(6应变了约0.1%,这时Al N势垒层和GaN沟道层产生了方向相反的自发极化电荷变化量,其界面处极化电荷之和改变了约1.6%,但总的2DEG面密度仅改变了约0.9%。3.对N极性多沟道GaN异质结构的能带图和载流子分布进行建模。计算了N极性GaN从单沟道到多沟道异质结构的能带图和载流子分布并同时考虑了电子和空穴两种二维载流子气,从数值角度讨论了二维空穴气的存在条件。分别计算了同一沟道内二维电子气和二维空穴气共存或仅存在二维电子气的情况,缓冲层和势垒层有意掺杂的情况也包含在模型中。综上,本文提出了一种涵盖Ga极性和N极性的多沟道异质结解析模型,可以处理两种载流子分别或同时存在于同一沟道的情况,并考虑了常见的插入层结构和掺杂。模型通过异质结界面电位移矢量的连续性和整个异质结构的电中性平衡,建立了电场能带和载流子之间的数值关系。和常用的薛定谔-泊松方程自洽解与Atlas仿真软件相比,本文提出的模型将完全由材料物理参数组成并且更加简单直观,有助于理解GaN高电子迁移率晶体管器件原理,并指导器件设计。

关键词：高电子迁移率晶体管 GaN异质结多沟道极化效应二维电子气模型

N极性GaN/AlGaN异质结二维电子气模拟

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物理学报 2014年第8期63卷 9-16页

作者：王现彬赵正平冯志红河北工业大学信息工程学院天津300130 专用集成电路国家级重点实验室石家庄050051

通过自洽求解薛定谔方程和泊松方程,较系统地研究了GaN沟道层、AlGaN背势垒层、Si掺杂和AlN插入层对N极性GaN/AlGaN异质结中二维电子气(2DEG)的影响,分析表明,GaN沟道层厚度、AlGaN背势垒层厚度及Al组分变大都能一定程度上提高二维电子... 详细信息

通过自洽求解薛定谔方程和泊松方程,较系统地研究了GaN沟道层、AlGaN背势垒层、Si掺杂和AlN插入层对N极性GaN/AlGaN异质结中二维电子气(2DEG)的影响,分析表明,GaN沟道层厚度、AlGaN背势垒层厚度及Al组分变大都能一定程度上提高二维电子气面密度,AlGaN背势垒层的厚度和Al组分变大也可提高二维电子气限阈性,且不同的Si掺杂形式对二维电子气的影响也有差异,而AlN插入层在提高器件二维电子气面密度、限阈性等方面表现都较为突出,在模拟中GaN沟道层厚度小于5nm时无法形成二维电子气,超过20nm后二维电子气面密度趋于饱和,而AlGaN背势垒厚度超过40nm后二维电子气也有饱和趋势,对均匀掺杂和delta掺杂而言AlGaN背势垒层Si掺杂浓度超过5×10^(19)cm^(-3)后2DEG面密度开始饱和,而厚度为2nmAlN插入层的引入会使2DEG面密度从无AlN插入层时的0.93×10^(13)cm^(-2)提高到1.17×10^(13)cm^(-2)。

关键词： N极性 GaN/AlGaN异质结二维电子气限阈性