AlGaNGaN中二維電子氣的研究進(jìn)展

1、LOGOAlGaN/GaN中二維電子氣中二維電子氣的研究進(jìn)展的研究進(jìn)展2011.06.24Company LogoAlGaN/GaN中二維電子氣的研究進(jìn)展中二維電子氣的研究進(jìn)展研究背景研究背景1AlGaN/GaN HEMT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1 研究背景研究背景Company Logo發(fā)光二極管VCDCompany Logo普通的室內(nèi)外LED照明： 400-410nm1 研究背景研究背景海底半導(dǎo)體激光器(LD)1 研究背景研究背景Company Logo光盤：高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)激光打印機(jī)1 研究背景研究背景在半導(dǎo)體工業(yè)中在半導(dǎo)體工業(yè)中,人們習(xí)慣以為人們習(xí)慣以為

2、v第一代半導(dǎo)體材料：以鍺第一代半導(dǎo)體材料：以鍺(Ge)、硅、硅(Si) 為代表元為代表元素半導(dǎo)體材料素半導(dǎo)體材料v第二代半導(dǎo)體材料：以砷化鎵第二代半導(dǎo)體材料：以砷化鎵(GaAs)、磷化銦、磷化銦(InP)為代表的化合物半導(dǎo)體材料為代表的化合物半導(dǎo)體材料v第三代半導(dǎo)體材料：以氮化鎵第三代半導(dǎo)體材料：以氮化鎵(GaN) 、碳化硅、碳化硅(SiC)、氧化鋅（、氧化鋅（ZnO）為代表的半導(dǎo)體材料）為代表的半導(dǎo)體材料Company Logo1 研究背景研究背景Company Logo圖 主要半導(dǎo)體的禁帶寬度1 研究背景研究背景v第三代半導(dǎo)體第三代半導(dǎo)體寬禁帶半導(dǎo)體寬禁帶半導(dǎo)體 1）寬禁帶半導(dǎo)體是指：禁帶

3、寬度）寬禁帶半導(dǎo)體是指：禁帶寬度Eg2.0-6.0eV的一類半導(dǎo)體，如的一類半導(dǎo)體，如GaN、AlN、AlGaN、SiC、4H-SiC、6H-SiC等。等。 2）寬禁帶半導(dǎo)體材料的特點(diǎn)：）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)。損、高鍵和能量以及抗輻射等優(yōu)點(diǎn)。Company LogoCompany Logo1 研究背景研究背景表表 幾種幾種半導(dǎo)材料的參數(shù)對照表半導(dǎo)材料的參數(shù)對照表1 研究背景研究背景Co

4、mpany Logo圖 電子漂移速度與電場強(qiáng)度的關(guān)系1 研究背景研究背景Company Logo圖 幾種半導(dǎo)體的適用工作范圍1 研究背景研究背景 近年來，近年來，GaN基電學(xué)器件的研制受到越來越多的關(guān)基電學(xué)器件的研制受到越來越多的關(guān)注。注。 GaN材料具有：材料具有：l 寬帶隙寬帶隙(3.4 eV)l 高擊穿電壓高擊穿電壓(3106V/cm)l 高電子遷移率高電子遷移率(室溫室溫1 000 cm2Ws)l 高的電子飽和漂移速度（高的電子飽和漂移速度（2.5107cm/s）l 高溫?zé)岱€(wěn)定性（高溫?zé)岱€(wěn)定性（1000）l 高異質(zhì)結(jié)面電荷密度高異質(zhì)結(jié)面電荷密度(11013 /cm3) Company

5、Logo1 研究背景研究背景 基于基于GaN基的基的AlGaN/GaN HEMT器件是發(fā)展器件是發(fā)展最快的器件；最快的器件； 它具有輸出功率密度大、耐高溫、抗輻射等特它具有輸出功率密度大、耐高溫、抗輻射等特點(diǎn)，能滿足下一代電子裝備對微波功率器件更大功點(diǎn)，能滿足下一代電子裝備對微波功率器件更大功率、更高頻率、更小體積和更惡劣條件高溫度下工率、更高頻率、更小體積和更惡劣條件高溫度下工作的要求；作的要求； 被認(rèn)為在被認(rèn)為在1-50GHz頻率范圍具有很大應(yīng)用潛力，頻率范圍具有很大應(yīng)用潛力，其研究工作在近年來受到廣泛關(guān)注。其研究工作在近年來受到廣泛關(guān)注。Company LogoCompany LogoA

6、lGaN/GaN中二維電子氣研究進(jìn)展中二維電子氣研究進(jìn)展研究背景研究背景1AlGaN/GaN HEMT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2.1 AlGaN/GaN HEMTCompany Logo AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管高電子遷移率晶體管(AlGaN/GaN high electron mobility transistors)，也稱作異質(zhì)結(jié)場，也稱作異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管效應(yīng)晶體管HFETs（heterostructure field effect transistors）或調(diào)制摻雜場效應(yīng)晶體管）或調(diào)制摻雜場效應(yīng)晶體管MODFETs (modulation

7、doped field effect transistors)，是以，是以AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)材料為基礎(chǔ)而制造的異質(zhì)結(jié)材料為基礎(chǔ)而制造的GaN基器件?；骷?。2.1 AlGaN/GaN HEMTCompany Logo圖簡化的AlGaN/GaN HEMT結(jié)構(gòu)2.2 AlGaN/GaN HEMT 二維電子氣二維電子氣l AlGaN/GaN HEMT最為獨(dú)特的地方是其具有最為獨(dú)特的地方是其具有高濃度的二維電子氣高濃度的二維電子氣(2DEG)。l 典型的典型的AlGaNGaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其AlGaN勢壘勢壘層中壓電極化強(qiáng)度為傳統(tǒng)層中壓電極化強(qiáng)度為傳統(tǒng)AlGaAsGaAs異質(zhì)結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)構(gòu)

8、中的中的5倍之多，感生的壓電場強(qiáng)達(dá)倍之多，感生的壓電場強(qiáng)達(dá)2 MVcm。l 如此強(qiáng)的極化效應(yīng)以及如此強(qiáng)的極化效應(yīng)以及AlGaNGaN界面大的界面大的導(dǎo)帶偏移，在導(dǎo)帶偏移，在GaN層形成一個(gè)很深的量子阱，即使層形成一個(gè)很深的量子阱，即使不摻雜，也可感生高達(dá)不摻雜，也可感生高達(dá)1012cm-2濃度的二維電子濃度的二維電子氣。氣。Company Logo2.2 AlGaN/GaN HEMT二維電子氣二維電子氣v 二維電子氣二維電子氣(2DEG)的來源：的來源： 基于強(qiáng)極化誘導(dǎo)作用和巨大能帶偏移，基于強(qiáng)極化誘導(dǎo)作用和巨大能帶偏移，族氮族氮化物異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面可形成一強(qiáng)量子局域化的高濃度化物異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面可形

9、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。濃度的半導(dǎo)體材料體系。 Company Logo2.2 AlGaN/GaN HEMT二維電子氣二維電子氣Company Logo圖 A1GaNGaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中自發(fā)極化和壓電極化的方向以及界面極化電荷2.3 二維電子氣濃度二維電子氣濃度 AlGaNGaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中二維電子氣濃度是決定異質(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)器件性能的重要指標(biāo) 影響它的主要因素：影響它的主要因素：l Al組分組分-決定二維電子氣濃度大小的最主要因素決定二維電子氣濃度大

10、小的最主要因素l AlGaN勢壘層的厚度勢壘層的厚度-影響二維電子氣的一個(gè)重要影響二維電子氣的一個(gè)重要因素因素l 勢壘層摻雜勢壘層摻雜-可以提高二維電子氣濃度可以提高二維電子氣濃度Company LogoCompany Logo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2.3 二維電子氣濃度二維電子氣濃度Company Logo圖2DEG與AlGaN/GaN結(jié)構(gòu)AlGaN勢壘層厚度的關(guān)系2.3 二維電子氣濃度二維電子氣濃度Company Logo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2.4 二維電子氣遷移率二維電子氣遷移率v2DEG電子遷

11、移率是電子遷移率是AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的重要參異質(zhì)結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)，其大小直接影響到數(shù)，其大小直接影響到 AlGaN/GaN HEMT的頻率的頻率和功率特性。和功率特性。Company Logo2.4 二維電子氣遷移率二維電子氣遷移率 影響影響AlGaNGaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中載流子遷移率的異質(zhì)結(jié)構(gòu)中載流子遷移率的散射機(jī)制主要包括：散射機(jī)制主要包括：l 合金無序散射合金無序散射l 離化雜質(zhì)散射離化雜質(zhì)散射l 界面粗糙度散射界面粗糙度散射l 聲學(xué)聲子散射聲學(xué)聲子散射l 以及極化光學(xué)聲子散射以及極化光學(xué)聲子散射Company Logo2.4 二維電子氣遷移率二維電子氣遷移率Company Logo圖

12、A1GaNGaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中載流子遷移率隨A1組分的變化關(guān)系2.4 二維電子氣遷移率二維電子氣遷移率Company Logo圖 A1GaNGaN 中載流子遷移率隨勢壘層厚度的變化關(guān)系2.4 二維電子氣遷移率二維電子氣遷移率Company Logo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2.4 二維電子氣遷移率二維電子氣遷移率v二維電子氣濃度和遷移率二者乘積的大小決定了器二維電子氣濃度和遷移率二者乘積的大小決定了器件的工作性能，所以為了改善件的工作性能，所以為了改善AlGaN/GaN HEMTs的性能的性能,必須提高必須提高2DEG面密度和遷移率的乘積。面密度和遷移

13、率的乘積。v然而，不可避免的是，提高二維電子氣濃度常常導(dǎo)然而，不可避免的是，提高二維電子氣濃度常常導(dǎo)致載流子遷移率的降低。致載流子遷移率的降低。v所以，實(shí)際工作中必須權(quán)衡而這之間的關(guān)系。所以，實(shí)際工作中必須權(quán)衡而這之間的關(guān)系。Company LogoCompany LogoAlGaN/GaN中二維電子氣研究進(jìn)展中二維電子氣研究進(jìn)展研究背景研究背景1AlGaN/GaN HEMT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3 新型新型GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)二維電子氣研究進(jìn)展基異質(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，基于近年來，隨著研究的深入和器件的發(fā)展，基于極化能帶

14、工程設(shè)計(jì)，人們又不斷提出一些新型極化能帶工程設(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)：基異質(zhì)結(jié)構(gòu)，主要有以下幾種結(jié)構(gòu)：l 雙溝導(dǎo)雙溝導(dǎo)A1GaNGaNA1GaN雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)l A1NGaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)構(gòu)l A1GaNA1NGaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)構(gòu)l 應(yīng)變調(diào)制應(yīng)變調(diào)制A1GaNGaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)構(gòu)l AlGaNInGaNGaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)構(gòu)Company Logo3.1 雙溝導(dǎo)雙溝導(dǎo)A1GaNGaNA1GaN雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)Company Logo圖 雙溝導(dǎo)AlG NGaNA1G N異質(zhì)結(jié)構(gòu)3.1 雙溝導(dǎo)雙溝導(dǎo)A1GaNGaNA1GaN雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)

15、 GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)體系中另一較為常見的是基異質(zhì)結(jié)構(gòu)體系中另一較為常見的是A1GaNGaNA1GaN雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)雙異質(zhì)結(jié)構(gòu).l 與單異質(zhì)結(jié)構(gòu)相比，它具有雙倍的電流傳輸能力，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。有利于制作高功率器件。l AlGaNGaNA1GaN雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的GaN量子阱具量子阱具有更強(qiáng)的極化場。有更強(qiáng)的極化場。v實(shí)驗(yàn)表明：它具有較高的載流子遷移率，適合微波實(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。功率或通信器件的應(yīng)用。Company Logo3.2 A1NGaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)構(gòu)v由于由于A1N的禁帶寬度為的禁帶寬度為6

16、2 eV，近似為絕緣體，近似為絕緣體， 基于基于A1NGaN的器件稱為金屬一絕緣體一半導(dǎo)體的器件稱為金屬一絕緣體一半導(dǎo)體(MIS)結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。Company Logo3.2 A1NGaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)構(gòu)Company Logo圖 AI o.2Gao.8eNGaN和A1NGaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的二維電子氣分布3.2 A1NGaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)構(gòu)v然而由于然而由于GaN和和AlN界面處存在大的晶格失配，應(yīng)界面處存在大的晶格失配，應(yīng)變變A1N勢壘層的臨界厚度很薄，導(dǎo)致其中線位錯(cuò)密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)生弛豫度較高，且易發(fā)生弛豫.v盡管如此，盡管如此，AlNGaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)在高頻

17、微波器件，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。高溫大功率電子器件中仍有重要潛在應(yīng)用。Company Logo3.3 A1GaNA1NGaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)構(gòu)Company Logo AlGaNAlNGaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)是在異質(zhì)結(jié)構(gòu)是在A1GaN和和GaN兩層之間插入一層薄，兩層之間插入一層薄，A1N隔離層在隔離層在HEMT器器件應(yīng)用方面具有更強(qiáng)的吸引力。件應(yīng)用方面具有更強(qiáng)的吸引力。3.3 A1GaNA1NGaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)構(gòu)Company Logo圖 插入A1N隔離層AlGaNAlN GaN(實(shí)線)和傳統(tǒng)A1GaNGaN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Company LogoAlGaN/GaN中二維電子氣研究進(jìn)展中二維電子氣研究進(jìn)展研究背景研究背景1AlGaN/GaN HEMT二維電子氣23總結(jié)4新型GaN基異質(zhì)