非極性面AlGaN-GaN異質(zhì)結(jié)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(chǎng)強(qiáng)、高電子遷移率、高電子飽和速度、耐腐蝕、抗輻射等優(yōu)勢(shì)，非常有利于制作高頻率、高溫以及大功率器件?；贕aN異質(zhì)結(jié)和二維電子氣(2DEG)電導(dǎo)的高電子遷移率晶體管(HEMT)器件在近年來(lái)得到了廣泛深入的研究。理論上，非極性GaN異質(zhì)結(jié)比極性GaN異質(zhì)結(jié)更易于制備增強(qiáng)型的HEMT器件。然而實(shí)驗(yàn)顯示，極性GaN HEMT器件的2DEG遷移率為各向同性，且可以達(dá)到2000 cm2/(Vs)；非極性GaN HEMT

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

3、了定量分析，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有很好的一致性。這些散射機(jī)制和帶電層錯(cuò)影響遷移率的機(jī)理分別描述如下。
　　在非極性m面AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)中，異質(zhì)結(jié)界面的條紋形貌會(huì)導(dǎo)致各向異性的界面粗糙度散射及線電荷偶極子散射，同時(shí)也存在著失配位錯(cuò)散射。我們首先建立了無(wú)限長(zhǎng)而均勻的條紋/線狀散射中心的散射模型，發(fā)現(xiàn)條紋/線狀散射中心僅改變?nèi)肷涞亩S波矢垂直于散射中心的分量，正是這一機(jī)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(jī)制，獲得其遷移率隨電場(chǎng)角度變化的數(shù)學(xué)表達(dá)式。計(jì)算結(jié)果顯示，這些散射機(jī)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(chǎn)生的性質(zhì)不同的裸散射勢(shì)和由2DEG性質(zhì)決定的介電屏蔽效應(yīng)的綜合作用所導(dǎo)致。
　　在異質(zhì)外延的非極性氮化物薄膜中，存在密度達(dá)到105cm-1的基底堆垛層錯(cuò)。實(shí)驗(yàn)證明，堆垛層錯(cuò)對(duì)體載流子的各向異性輸運(yùn)具有主導(dǎo)性的作用，因此對(duì)2DEG的輸運(yùn)應(yīng)該有類似的作用，但還

5、沒(méi)有定量的理論分析。在Konar建立的堆垛層錯(cuò)影響體載流子輸運(yùn)的理論模型（載流子量子隧穿通過(guò)層錯(cuò)，在層錯(cuò)之間擴(kuò)散性輸運(yùn)）基礎(chǔ)上，我們考慮了2DEG的量子性質(zhì)，建立了二維電子隧穿通過(guò)層錯(cuò)的幾率隨電場(chǎng)角度連續(xù)變化的數(shù)學(xué)模型，定量分析了層錯(cuò)對(duì)2DEG遷移率造成的影響。結(jié)果顯示，在帶電基底堆垛層錯(cuò)的作用下，2DEG遷移率降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)或者更多，降低的程度與電場(chǎng)方向有關(guān)。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(guò)程影響，但在2