鐵電-半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)二維電子氣的特性研究.pdf

1、由于鐵電材料具有大的極化且可反轉(zhuǎn)以及熱電、壓電和介電非線性等豐富的特性，鐵電材料與半導(dǎo)體材料結(jié)合將獲得新穎的物理性能，從而孕育新的電子器件。本文一方面基于第一性原理的結(jié)果和電荷控制模型對(duì)以GaN為基的鐵電/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)界面中的二維電子氣（2DEGs）、能帶圖等特性進(jìn)行了研究；另一方面基于電子散射機(jī)制就對(duì)鐵電/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)特別是鐵電/AlGaN/GaN結(jié)構(gòu)中界面的二維電子氣（2DEGs）的傳輸特性及遷移率進(jìn)行了詳細(xì)的研究與討論。

2、　　一、本文基于第一性原理的結(jié)果和電荷控制模型計(jì)算了四種典型的鐵電/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)。
　　1.對(duì)鐵電（BST）/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)，本文詳細(xì)分析了鐵電極化的強(qiáng)度、介電常數(shù)和結(jié)構(gòu)器件中柵極加偏壓時(shí)對(duì)此結(jié)構(gòu)界面2DEG濃度分布及結(jié)構(gòu)能帶圖的影響。發(fā)現(xiàn)BST/GaN結(jié)構(gòu)較AlGaN/GaN更易形成增強(qiáng)型器件，大的鐵電極化可誘導(dǎo)產(chǎn)生極高濃度的2DEG。
　　2.對(duì)鐵電(BST)/AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)，研究分析了鐵電體的厚度和極化強(qiáng)

3、度對(duì)AlGaN/GaN界面的2DEG的影響。發(fā)現(xiàn)正的鐵電極化使GaN溝道2DEG濃度提高，鐵電厚度對(duì)異質(zhì)結(jié)2DEG有很大的影響，AlGaN勢(shì)壘層越薄2DEG對(duì)鐵電體越敏感。
　　3.對(duì)AlGaN/GaN/鐵電雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)而言，也詳細(xì)論述了鐵電體的極化強(qiáng)度對(duì)AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)的能帶圖和2DEG的分布的影響，AlGaN/GaN/BTO雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)可在GaN內(nèi)形成雙溝道，載流子濃度提高2倍以上。鐵電體上的應(yīng)變氮化鎵(SSOF)，還可

4、進(jìn)一步提高載流子遷移率，有利于制作高速、高功率器件。
　　4.對(duì)于應(yīng)變AlGaN/GaN結(jié)構(gòu)來說，闡述了在應(yīng)變條件下界面2DEG的變化關(guān)系。1GPa的單軸壓應(yīng)力可使AlGaN/GaN結(jié)構(gòu)2DEG濃度提高30％，10GPa的壓應(yīng)力則可使2DEG濃度提高2.4倍。并討論了這種2DEG提高的原因主要是因?yàn)閴簯?yīng)力使AlGaN壓電極化增強(qiáng)引起的。
　　二、在前人關(guān)于AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)2DEG遷移率模型的基礎(chǔ)上，我們對(duì)鐵電/Al

5、GaN/GaN異質(zhì)結(jié)2DEG考慮了聲學(xué)形變勢(shì)散射、壓電聲子散射和界面粗糙散射、位錯(cuò)散射、電離雜質(zhì)散射、極化光學(xué)聲子散射、合金散射和偶極子散射等八大散射機(jī)制，建立起完備的遷移率模型。并分析了各種散射機(jī)制在不同溫度、不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下對(duì)異質(zhì)結(jié)2DEG遷移率的影響規(guī)律。
　　1. GaN的張應(yīng)變使極化光學(xué)聲子能量提高，從而減小極化光學(xué)聲子散射，提高遷移率，同時(shí)預(yù)測(cè)了GaN/BTO結(jié)構(gòu)中由于GaN與BTO晶格失配引起的張應(yīng)變將提高2DEG濃度