GaN基场效应器件Monte Carlo模拟

基于AlGaN/GaN异质结的高电子迁移率晶体管(HEMT)在高温、高功率微波器件方面有极其重要的应用前景.文章用自洽-耦合蒙特卡罗(Monte Carlo)方法对AlGaN/GaN异质结构场效应晶体管作了模拟,给出了器件直流特性的Monte Carlo模拟结果,包括器件的粒子分布及器件的等势线分布,最后给出器件在不同栅电压下的直流输出特性.文章的模拟结果对研究GaN基场效应器件有指导意义.     

AlGaN/InGaN/GaN双异质结构中2DEG的数值模拟

由于InGaN的物理性质,在传统AlGaN／GaN单异质结中嵌入一定厚度的InGaN层,会使二维电子气的密度提高为原来的近两倍。正是从导带差、极化效应两个方面分析了这种现象的原因,并且通过自洽求解泊松方程和薛定谔方程分别作出了AlGaN／InGaN／GaN双异质结和AlGaN／GaN单异质结的能级图以及2DEG的电子能量图,进一步解释了该现象。     

不同掺杂元素对GaN基材料发光性能影响研究进展

由于GaN材料本身具有的极大优越性,如大禁带宽度、高临界场强、高热导率、高载流子饱和速率、高异质结界面二维电子气浓度等,决定了GaN基材料及其器件在发光半导体材料领域中的重要地位,而高质量GaN的掺杂制备一直是研究者关注的热点.本文根据近几年国内外对掺杂GaN基材料的研究成果,总结概括了IIA族、过渡族以及稀土族元素对GaN的掺杂,分析讨论了不同掺杂元素对GaN基材料发光性能的影响,并以Mg掺杂GaN为例,对比了各种掺杂技术的优缺点.     

HEMT压力传感器

利用Al Ga N/Ga N半导体的极化效应在异质结界面产生二维电子气(2DEG)的特性,设计了一种基于高电子迁移率场效应管(HEMT)的压强传感器;并利用标准的微电子工艺和背部深硅刻蚀技术制作了器件;对器件在不同压强下的源-漏I-V特性进行了测试和评价.结果表明本文设计制作的压强传感器的I-V特性对压强的变化能做出灵敏的反应.Ⅲ族氮化物半导体器件具有高速度、高灵敏、大功率和耐高温等特点,本压强传感器具有更广的应用领域.     

C面SiC衬底上N面GaN的MOCVD制备及特性研究（英文）

Ga面GaN基器件结构中存在巨大的极化场,引起载流子溢流等问题,严重的损害了器件的性能。而N面GaN则可以使极化场反转,从而解决这些问题。详细研究了在C面SiC衬底上N面GaN的MOCVD外延生长和性质。N面GaN表面非常粗糙,薄膜中刃位错和混合位错的含量较高。在Si掺杂的N面GaN的室温PL谱中没有观测到黄带的产生。利用热磷酸溶液对N面GaN腐蚀,在外延膜的表面产生了大量的Ga空位,对应的PL谱出现了黄带,确定黄带来源于Ga空位。经过腐蚀后的GaN呈12面锥体形貌,锥体的形成可以弛豫薄膜中的张应力,此外,随着腐蚀的进行,低温PL谱的半峰宽变窄。     

La0.67 Sr0.33 MnO3/GaN异质结的光电效应研究

利用脉冲激光沉积技术制备了p-n型的La0.67Sr0.33MnO3/GaN异质结.在室温下测量了La0.67Sr0.33MnO3/GaN异质结的电流-电压特性曲线,结果表明该异质结具有较好的整流效应.对该异质结的光电效应进行了测量,发现该异质结还具有明显的光电效应:当用光功率为6mW、波长520nm的光照射该异质结时该异质结的光电压可达33μV.还发现异质结的光电压与入射光的功率及光子能量有依赖关系:入射光功率或光子能量越大,光电压越高.根据La0.67Sr0.33MnO3/GaN的能带结构对实验结果作了解释.结果表明La0.67Sr0.33MnO3/GaN异质结可用作光电器件.     

LaAlO_3/GaAs异质结界面的空穴导电行为分析

采用脉冲激光沉积方法在GaAs(001)单晶基片上生长LaAlO_3薄膜构成LaAlO_3/GaAs异质结,利用原子力显微镜和XRD对LaAlO_3/GaAs异质结进行表征,并通过PPMS对LaAlO_3/GaAs异质结进行面内电阻和霍尔电阻测试,研究其界面电输运性能。结果表明,LaAlO_3在GaAs表面生长均匀,LaAlO_3/GaAs异质结界面处存在空穴型的导电行为,且该空穴来源于界面处的悬空键效应。     

AlGaN/GaN HEMT 微加速度计的设计和温度特性研究

采用一种新原理来设计AlGaN/GaN HEMT加速度计,从理论和实验两方面分析和验证了温度的变化对加速度计的输出特性带来的影响。测试了AlGaN/GaN基HEMT器件在常温下的Ⅰ-Ⅴ特性和在不同温度下输出特性的变化。结果表明,随着温度的升高,器件的饱和电流减小。根据计算速率约为0.027 mA/℃。加速度计可以在-50℃—50℃的温度安全稳定的工作。     

闪锌矿GaN/AlGaN量子阱中激子态及带间光跃迁

基于有效质量近似,运用变分方法研究闪锌矿GaN/AlGaN量子阱中的激子态及带间光跃迁随闪锌矿GaN/AlGaN量子阱结构参数的变化关系,考虑电子与空穴在其量子阱中的有限势效应.数值计算结果显示出当量子阱的尺寸增加时,基态激子结合能和带间光跃迁能降低,而当闪锌矿GaN/AlGaN量子阱中垒层材料AlGaN中Al含量增加时,基态激子结合能和带间光跃迁能增加.     

GaN基高电子迁移率场效应管的可靠性研究

虽然Ga N基高电子迁移率场效应管(HEMT)在高频大功率器件方面具有突出的优势并已经在应用领域取得了重要的进展,但由于Ga N基HEMT器件的材料缺陷密度高、高电场工作环境、Ga N基异质结特有的强极化效应以及工艺复杂等问题,使得Ga N基HEMT的可靠性问题十分突出。这些问题导致现有Ga N基HEMT器件的实际表现一直与其理论值有一定差距。因此,要想实现Ga N基HEMT器件全面、广泛的商业应用,必须对其可靠性做深入的研究分析。在该文中,我们利用不同的测试方法,从不同的角度对Al Ga N/Ga N HEMT的可靠性问题进行了研究。首先,我们观察并讨论了Al Ga N/Ga N HEMT器件输运过程中由载流子的俘获导致的Kink效应。实验表明:载流子俘获过程是由高场诱导的栅极电子注入到栅极下Al Ga N势垒层中深能级的过程;载流子的去俘获过程则是由沟道中的热电子碰撞离化被俘获的电子引起的。其次,我们对Ga N基HEMT器件进行了阶梯电压应力可靠性测试,并观察到了一个临界应力电压,超过这个临界电压后Al Ga N/Ga N HEMT可以从之前的低电压应力引起的退化中逐渐恢复。研究发现:低电压应力引起的器件的退化是由电子在表面态或者体缺陷中被俘获引起的;器件性能的恢复则是由于电场诱导的载流子去俘获机制。最后,我们利用不同的测试方法详细分析了关态下Al Ga N/Ga N HEMT的击穿特性和电流传输机制。我们在三端测试中观察到了与缓冲层相关的Al Ga N/Ga N HEMT的过早硬击穿现象;然后我们利用漏极注入测试方法验证了源-漏间缓冲层漏电的存在。分析结果表明缓冲层漏电是由电场引起的势垒下降、能带弯曲和缓冲层缺陷共同决定的。在电场足够高的时候,缓冲层漏电可以引起Al Ga N/Ga N HEMT过早发生硬击穿。     

p型栅结构氮化镓基高电子迁移率晶体管结构优化

为了简化后期栅极驱动电路设计、降低成本,工业界对增强型高电子迁移率晶体管的需求与日俱增。采用p型栅结构制备增强型器件的方法是目前极有前景的一种增强型方法。该方法致力于提高器件的正向阈值电压和输出饱和电流,通过Silvaco TCAD软件调节AlGaN势垒层厚度及其Al组分,仿真器件转移特性曲线和输出特性曲线。将AlGaN势垒层厚度优化为20 nm,Al组分优化为0.27,使器件具有更大的阈值电压和输出饱和电流。并通过仿真器件能带结构和AlGaN/GaN沟道中电子浓度,进一步分析器件结构影响其性能的物理机制。结果表明,Al GaN势垒层厚度及其Al组分增加,则器件阈值电压减小,输出饱和电流增加。器件阈值电压与关态时能带结构有关,输出饱和电流与开态时AlGaN/GaN沟道电子浓度有关。     

短沟道AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的Ⅰ-Ⅴ特性研究

考虑栅电压、漏电压和沟长调制效应影响下,在长沟道高电子迁移率晶体管(HEMT)的Ⅰ-Ⅴ输出特性基础上,引入有效迁移率和有效沟道长度,推导了短沟道AlGaN/GaN HEMT的电流-电压(Ⅰ-Ⅴ)输出特性模型.通过比较栅长为105nm时模型计算结果与实际器件的输出特性,表明推导的短沟道AlGaN/GaN HEMT的Ⅰ-Ⅴ模型与实验结果基本相符,误差小于5%.     

金属/AlGaN/GaN横向肖特基二极管器件结构的改进

本文采用Schrodinger方程与统计力学方程联立的方法,研究了金属/AlGaN/GaN异质结横向肖特基二极管正极电流分布不均匀的现象,提出了缓解电流集边效应的二极管结构的改进。     

表面态对AlGaN／GaN异质结构2DEG影响的模拟分析

利用模拟软件研究施主表面态特性与AlGaN/GaN异质结构中二维电子气（2 dimensional electron gas,2DEG）形成之间的关系,分析施主表面态电离过程以及表面态能级位置、表面态密度的影响。结果表明：施主表面态为2DEG的电子来源;Al-GaN能带分布及2DEG密度随AlGaN厚度、施主表面态能级位置、施主表面态密度的改变而改变。     

Zn_(1-x)Cd_xSe/ZnSe异质结中的界面极化子

采用准二维模型计及 Zn1-x Cdx Se/Zn Se半导体异质结界面附近的能带弯曲效应 ,讨论了异质结界面极化子的基态能量 ,有效质量随电子面密度以及 Cd组份的变化关系 .     

器件结构对激基复合物发光磁效应的影响

本文制备了一系列基于平面异质结和体异质结的激基复合物发光二极管,在20–300 K温度范围内测量了器件电致发光的磁效应(Magneto-Electroluminescence,MEL).实验发现:在温度较高时,两种不同的异质结器件的MEL呈现出相同的变化趋势,而在低温下(100 K)却表现出截然不同的变化规律.即:在体异质结器件中,器件的MEL曲线始终未呈现出高场下降的现象;而在平面异质结器件中,当温度降为100 K时,其MEL曲线开始出现高场下降的现象,且温度越低,外加偏压越大,下降越明显.本文通过对两类器件的结构和能级排布分析,得出:平面异质结附近容易聚集大量的三重态激基复合物,从而易发生三重态的湮灭过程,在外加磁场下MEL表现出高场下降;而对于体异质结器件,由于形成的三重态激基复合物浓度较小,故难以发生三重态的湮灭过程.本文通过对激基复合物器件发光磁效应的研究,进一步丰富了激基复合物器件中激发态演化的微观机制,并对提高其发光效率也有一定的指导意义.     

Mg杂质调控高Al组分AlGaN光学偏振特性

高Al组分(即原子分数)AlGaN带边发光以e光为主的发光特性,从根本上限制了沿c面生长器件的正面出光,成为光电器件发光效率急剧下降的主要原因.第一性原理模拟计算表明,AlxGa1-xN混晶的晶格常数比c/a偏离理想值程度随Al组分的增大而增大,导致晶体场分裂能Δcr从GaN的40meV逐渐减小;当组分达到0.5时呈现0值,Al组分继续提升,Δcr进一步下降,价带顶排列顺序翻转,直至AlN达到最低值-197meV.通过Mg掺杂应变AlGaN量子结构能带工程调控高Al组分AlGaN的价带结构,反转价带顶能带排序,实现光发射o光占主导,从根本上克服高Al组分AlGaN发光器件正面出光难的问题.     

Bi2Se3/MoS2异质结的光学性质

对单层MoS₂与纳米级别厚度的Bi₂Se₃薄片进行组合构建超薄异质结,利用HR-Evolution显微共聚焦拉曼光谱系统,结合反射、拉曼和荧光光谱学测试技术,对Bi₂Se₃/MoS₂异质结中的激子发光、异质结中的界间相互作用和电荷转移等行为进行了深入而系统的研究.首先,利用干法转移技术将不同厚度的Bi₂Se₃薄片转移到CVD生长的单层MoS₂上构建Bi₂Se₃/MoS₂异质结.然后,利用反射光谱和拉曼光谱技术探测异质结的平整度和界面耦合质量,表明异质结的2种材料发生堆叠后具有良好的平整度,按照不同厚度对白光保留着良好的透光性;2种材料堆叠时没有引入附加应力,形成的异质结具有良好的界面耦合质量.最后,通过对异质结的荧光光谱研究发现下层母体材料MoS₂的A、B激子峰的发光效率大大减弱,同时它们的发光波长随着上层Bi₂Se₃薄片的厚度增加逐渐减小,半高宽随着上层Bi₂Se₃薄片的厚度增加逐渐变窄,这说明电子传递到Bi₂Se₃/MoS₂界面后发生退激发,使得MoS₂的发光发生明显猝灭,而且该结果可能还包括异质结的电子能带结构变化导致电荷发生重新分布的的更深层次原因.该研究对新型光电子器件的设计和应用具有一定的意义和指导作用.     

包含Kink效应的改进型GaN HEMTs模型

提出了一种GaN高电子迁移率晶体管（HEMTs）建模方法.该模型以ADS（advanced design system）中的符号定义器件SDD（symbolically defined device）为基础,结合宽带S-参数与脉冲直流测试数据,对GaN器件进行精确建模.本文所用晶体管为双指AlGaN/GaN HEMT器件,其栅长为90 nm,单指栅宽为40 μm.数据测试采用在片测试方法,在常规S参数测试和直流测试基础上,增加了脉冲直流测试,并针对测试数据体现的Kink效应和阈值电压漂移现象进行建模.研究结果表明,该模型可以准确拟合器件0~110 GHz S参数及直流特性,谐波平衡仿真显示该模型具有良好的收敛特性,可用于GaN HEMTs器件电路仿真.      

全氧化物异质结HoMnO3/Nb-SrTiO3的电子输运特性

通过脉冲激光沉积技术在掺杂1.0%Nb的SrTiO3单晶基底上制备了单一c轴取向的正交HoMnO3薄膜,测量了变温条件下全氧化物异质结HoMnO3/ Nb-SrTiO3的伏安曲线,结果显示出二极管的整流特征,并且正向电流可以用热电子发射模型解释.但是随着温度的降低,在HoMnO3/ Nb-SrTiO3异质结中出现反向偏压电流异常增加的现象.本文用异质结界面上的隧穿效应解释了这个结果.