AlGaNGaN中二維電子氣的研究進(jìn)展課件

AlGaN/GaN中二維電子氣的研究進(jìn)展2011.06.24AlGaN/GaN中二維電子氣的研究進(jìn)展研究背景1AlGaN/GaNHEMT二維電子氣23總結(jié)4新型GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)二維電子氣研究進(jìn)展CompanyLogo1研究背景發(fā)光二極管VCDCompanyLogo1研究背景光盤：高密度數(shù)據(jù)存儲激光打印機(jī)CompanyLogo1研究背景在半導(dǎo)體工業(yè)中,人們習(xí)慣以為第一代半導(dǎo)體材料：以鍺(Ge)、硅(Si)為代表元素半導(dǎo)體材料第二代半導(dǎo)體材料：以砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)為代表的化合物半導(dǎo)體材料第三代半導(dǎo)體材料：以氮化鎵(GaN)、碳化硅(SiC)、氧化鋅（ZnO）為代表的半導(dǎo)體材料CompanyLogo1研究背景圖主要半導(dǎo)體的禁帶寬度CompanyLogo1研究背景第三代半導(dǎo)體———寬禁帶半導(dǎo)體

1）寬禁帶半導(dǎo)體是指：禁帶寬度Eg>2.0-6.0eV的一類半導(dǎo)體，如GaN、AlN、AlGaN、SiC、4H-SiC、6H-SiC等。

2）寬禁帶半導(dǎo)體材料的特點(diǎn)：高熱導(dǎo)率、高擊穿場強(qiáng)、高飽和電子漂移速率、寬禁帶、小介電常數(shù)、化學(xué)性能穩(wěn)定、高硬度、抗磨損、高鍵和能量以及抗輻射等優(yōu)點(diǎn)。CompanyLogo1研究背景圖電子漂移速度與電場強(qiáng)度的關(guān)系CompanyLogo1研究背景近年來，GaN基電學(xué)器件的研制受到越來越多的關(guān)注。

GaN材料具有：寬帶隙(3.4

eV)高擊穿電壓(3×106V/cm)高電子遷移率(室溫1000cm2／W·s)高的電子飽和漂移速度（2.5×107cm/s）高溫?zé)岱€(wěn)定性（1000℃）高異質(zhì)結(jié)面電荷密度(1×1013/cm3)

CompanyLogoAlGaN/GaN中二維電子氣研究進(jìn)展研究背景1AlGaN/GaNHEMT二維電子氣23總結(jié)4新型GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)二維電子氣研究進(jìn)展CompanyLogo2.1AlGaN/GaNHEMTAlGaN/GaN高電子遷移率晶體管(AlGaN/GaNhighelectronmobilitytransistors)，也稱作異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管HFETs（heterostructurefieldeffecttransistors）或調(diào)制摻雜場效應(yīng)晶體管MODFETs(modulationdopedfieldeffecttransistors)，是以AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)材料為基礎(chǔ)而制造的GaN基器件。CompanyLogo2.1AlGaN/GaNHEMT圖簡化的AlGaN/GaNHEMT結(jié)構(gòu)CompanyLogo2.2AlGaN/GaNHEMT二維電子氣

AlGaN/GaNHEMT最為獨(dú)特的地方是其具有高濃度的二維電子氣(2DEG)。

典型的AlGaN／GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其AlGaN勢壘層中壓電極化強(qiáng)度為傳統(tǒng)AlGaAs／GaAs異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的5倍之多，感生的壓電場強(qiáng)達(dá)2MV／cm。如此強(qiáng)的極化效應(yīng)以及AlGaN／GaN界面大的導(dǎo)帶偏移，在GaN層形成一個(gè)很深的量子阱，即使不摻雜，也可感生高達(dá)～1012cm-2濃度的二維電子氣。CompanyLogo2.2AlGaN/GaNHEMT二維電子氣

二維電子氣(2DEG)的來源：基于強(qiáng)極化誘導(dǎo)作用和巨大能帶偏移，Ⅲ族氮化物異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面可形成一強(qiáng)量子局域化的高濃度二維電子氣系統(tǒng)，成為至今能提供最高二維電子氣濃度的半導(dǎo)體材料體系。

CompanyLogo2.3二維電子氣濃度

AlGaN／GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中二維電子氣濃度是決定HEMT器件性能的重要指標(biāo)

影響它的主要因素：Al組分--決定二維電子氣濃度大小的最主要因素AlGaN勢壘層的厚度--影響二維電子氣的一個(gè)重要因素勢壘層摻雜--可以提高二維電子氣濃度CompanyLogo圖2DEG密度與AlxGa1-xN合金Al組分的關(guān)系2.3二維電子氣濃度CompanyLogo2.3二維電子氣濃度圖

不同勢壘層摻雜時(shí)二維電子氣峰值濃度與GaN中摻雜濃度的關(guān)系CompanyLogo2.4二維電子氣遷移率2DEG電子遷移率是AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)，其大小直接影響到AlGaN/GaNHEMT的頻率和功率特性。CompanyLogo2.4二維電子氣遷移率圖A1GaN／GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中載流子遷移率隨A1組分的變化關(guān)系CompanyLogo2.4二維電子氣遷移率圖A1GaN／GaN中載流子遷移率隨勢壘層厚度的變化關(guān)系CompanyLogo2.4二維電子氣遷移率圖AIGaN／(AIN)／GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中各種散射機(jī)制及遷移率與溫度的關(guān)系CompanyLogoAlGaN/GaN中二維電子氣研究進(jìn)展研究背景1AlGaN/GaNHEMT二維電子氣23總結(jié)4新型GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)二維電子氣研究進(jìn)展CompanyLogo3新型GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)二維電子氣研究進(jìn)展近年來，隨著研究的深入和器件的發(fā)展，基于極化能帶工程設(shè)計(jì)，人們又不斷提出一些新型GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)，主要有以下幾種結(jié)構(gòu)：雙溝導(dǎo)A1GaN／GaN／A1GaN雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)A1N／GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)A1GaN／A1N／GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)應(yīng)變調(diào)制A1GaN／GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)AlGaN／InGaN／GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)CompanyLogo3.1雙溝導(dǎo)A1GaN／GaN／A1GaN雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)圖

雙溝導(dǎo)AlGN／GaN／A1GN異質(zhì)結(jié)構(gòu)CompanyLogo3.1雙溝導(dǎo)A1GaN／GaN／A1GaN雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)體系中另一較為常見的是A1GaN／GaN／A1GaN雙異質(zhì)結(jié)構(gòu).與單異質(zhì)結(jié)構(gòu)相比，它具有雙倍的電流傳輸能力，有利于制作高功率器件。AlGaN／GaN／A1GaN雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的GaN量子阱具有更強(qiáng)的極化場。實(shí)驗(yàn)表明：它具有較高的載流子遷移率，適合微波功率或通信器件的應(yīng)用。CompanyLogo3.2A1N／GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)由于A1N的禁帶寬度為6．2eV，近似為絕緣體，基于A1N／GaN的器件稱為金屬一絕緣體一半導(dǎo)體(MIS)結(jié)構(gòu)。CompanyLogo3.2A1N／GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)圖

AIo.2Gao.8eN／GaN和A1N／GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的二維電子氣分布CompanyLogo3.2A1N／GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)然而由于GaN和AlN界面處存在大的晶格失配，應(yīng)變A1N勢壘層的臨界厚度很薄，導(dǎo)致其中線位錯(cuò)密度較高，且易發(fā)生弛豫.盡管如此，AlN／GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)在高頻微波器件，高溫大功率電子器件中仍有重要潛在應(yīng)用。CompanyLogo3.3A1GaN／A1N／GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)AlGaN／AlN／GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)是在A1GaN和GaN兩層之間插入一層薄，A1N隔離層在HEMT器件應(yīng)用方面具有更強(qiáng)的吸引力。CompanyLogo3.3A1GaN／A1N／GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)圖

插入A1N隔離層AlGaN／AlN

GaN(實(shí)線)和傳統(tǒng)A1GaN／GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)(虛線)中的載流子遷移率隨濃度的變化關(guān)系CompanyLogoAlGaN/GaN中二維電子氣研究進(jìn)展研究背景1AlGaN/GaNHEMT二維電子氣23總結(jié)4新型GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)二維電子氣研究進(jìn)展C