GaN相变及热力学性质的理论研究

利用基于密度泛函理论的第一原理方法研究了GaN的纤锌矿、闪锌矿、氯化钠三种结构的结构性质以及高压下GaN的相变.利用焓相等原理得出GaN从闪锌矿结构到氯化钠结构的相变压强约为41.9GPa,与实验值和他人理论计算值相符合.通过准谐德拜模型得到了GaN的闪锌矿和氯化钠两种结构不同温度下热膨胀系数与压强的关系,不同温度下体积与压强的关系以及不同压强下热容与温度的关系.     

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.      

界面热阻对GaN HEMT自热效应的影响

主要研究了界面热阻对在大功率工作条件下的GaN HEMT的自热效应的影响。当GaN HEMT器件工作在大功率条件下时会产生自热效应使得自身温度升高,将会使得器件有源沟道温度升高,影响到器件的正常工作特性,产生温漂等一些列现象。计算了GaN HEMT器件不同材料界面之间的界面热阻,在此基础之上,进行三维建模,仿真了GaN HEMT器件在考虑界面热阻时的温度分布情况。     

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%.     

栅介质材料及尺寸对薄膜晶体管性能影响研究

系统地对基于高介电常数材料HfO_2和传统的介质材料SiO_2这两种不同栅介质层材料的硅薄膜晶体管进行建模并对不同尺寸和温度条件下的薄膜晶体管的工作特性进行了研究.获得了不同沟道长度和沟道宽度,不同栅介质层厚度和不同温度条件下的薄膜晶体管的工作特性曲线.通过对比发现,薄膜晶体管的饱和电流与沟道长度和栅介质层厚度成反比,与沟道宽度成正比,与理论计算一致.随着温度的升高,薄膜晶体管的载流子迁移率和阐值电压都在逐渐减小,因而饱和电流值逐渐减小;在相同栅介质层尺寸和温度条件下,基于HfO_2的薄膜晶体管相对于基于SiO_2的薄膜晶体管具有更高的电流开关比,更低的阈值电压和更小的泄漏电流.因此,基于高介电常数栅介质材料的薄膜晶体管相对于基于SiO_2的薄膜晶体管具有更好的性能.     

基于硅纳米孔柱阵列氮化镓纳米结构的光致发光特性

以硅纳米孔柱阵列(Si-NPA)为衬底,采用化学气相沉积技术在不同条件下制备了GaN/Si-NPA,并对其表面形貌和结构进行了表征.结果表明,随着制备温度和氨气流量的升高,GaN/Si-NPA中GaN纳米结构的形貌发生显著变化,特征尺寸逐渐变大.对样品光致发光谱的测试结果表明,不同温度制备的GaN/Si-NPA均具有紫外光、黄光和红光3个发光带,但发光带的强度、峰位和半高宽随制备温度发生变化.对GaN/Si-NPA的光致发光过程与发光机制进行了分析,通过改变制备条件可以对其光致发光特性实现有效调控.     

对基于GaN晶体管自加热效应的研究

采用有限元分析方法(FEM)求解泊松方程,连续性方程,以及热传导方程对AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的自加热效应进行了数值模拟研究。着重比较了晶体管在SiC、Si及蓝宝石衬底上的沟道温度和漏电流。同时讨论了在外延层和衬底接触处的热边界电阻对晶体管电行为的影响。数值模拟表明,由于SiC的热导比较大,晶体管在其衬底上有较大的漏电流和较低的沟道温度,热边界电阻对其电行为有比较大的影响。相反,由于蓝宝石的热导比较小,晶体管在其衬底上有较低的漏电流和较高的沟道温度,显现出了比较大的自加热效应,热边界电阻对其电行为的影响可以忽略。     

单晶体外延膜四方畸变随深度变化的测试

采用卢瑟福背散射/沟道(RBS/C)实验,对有AlN插入层的GaN/Si样品进行了测试.通过测试分析计算表明:1)薄膜晶体的结晶品质良好,其最小产额χmin=2.5%;2)通过对RBS/C随机谱的模拟,得出样品结构为550 nm-GaN/20 nm-AlN/425 nm-GaN/Si;3)通过对GaN外延膜对称轴[0001]与非对称轴[1213]的角扫描,得出样品在120 nm处的四方畸变,为0.179%,表明GaN外延模的弹性应变在AlN缓冲层的作用下得到释放,避免了外延膜的碎裂,提高了GaN外延膜的结晶品质.     

基于模拟退火的三维集成电路水冷散热网络优化算法

三维集成电路(3D-IC)通过在垂直方向堆叠多层芯片有效提高了芯片的性能和集成度.然而,过高的功率密度和温度成为3D-IC集成度提高的最大障碍.水冷散热技术将冷却液注入两层芯片间的沟道有效解决了3D-IC的散热问题,同时也带来了过高温度梯度的问题以及对散热功耗,芯片可靠性的要求.本文提出一种在有硅穿孔限制下的基于模拟退火的沟道网络优化算法,算法基于温度仿真,对散热沟道进行放置与填充操作,设计出的沟道网络可以有效降低散热功率和温度梯度.实验中,与传统的均匀直沟道的设计方法相比,我们的方法可以在相同最高温和温度梯度限制条件下,降低散热功率达67.0%.     

MOCVD生长非故意掺杂GaN/Si薄膜的电阻率控制研究

本文采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)在Si(111)衬底上生长了非故意掺杂GaN薄膜。高分辨率X射线衍射(HRXRD)和Lehighton非接触面电阻测量系统用来表征GaN外延层的质量和面电阻(Rs)。通过计算HRXRD测量得到的GaN(0002)和(10-12)半高宽(FWHM),估算了GaN外延层中的线性位错密度(TDD)。GaN外延层的Rs和TDD之间的关系被研究。下面GaN初始层生长条件,包括载气种类(H2或N2)、生长温度和生长压力,对上面GaN外延层的影响被讨论和分析。我们认为H2作为载气能提高GaN质量,减少GaN外延层中的TDD,并由于其活泼的化学特性,能通过还原反应去除GaN外延层中的O和C等杂质。另外,下面GaN初始层在低温和高压下生长,更有助于提高GaN质量和减少TDD。下面GaN初始层通过在H2载气、低生长温度(1050℃)和高生长压力(400mba)下外延生长,上GaN外延层的电阻率得到了提高。     

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.     

GeSe纳米电子器件整流特性的掺杂调控

运用密度泛函理论和非平衡格林函数相结合的方法，研究了第Ⅴ主族原子（P，As，Sb）替位掺杂条件下不同中心半导体沟道长度的GeSe纳米电子器件的整流特性.结果表明，第Ⅴ族原子局部替位掺杂的扶手椅型GeSe纳米带在中心半导体沟道5.1 nm长度范围内，在正偏压下不同中心半导体沟道长度的扶手椅型GeSe纳米带电流随着电压的增大而增大；在负偏压下当中心半导体沟道长度从1.7 nm增加至3.4 nm时，电流不随电压的变化而变化，继续增大中心半导体沟道长度，电流大小接近于0，器件呈现显著的整流特性.     

Ti与Al比例及退火温度对AlGaN/GaN HEMT欧姆接触影响

利用热蒸发方法制备了Ti/Al金属双层结构的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)欧姆接触,Ti与Al比例分别为1∶2(20 nm/40 nm)、1∶5(20 nm/100 nm)和1∶8(20 nm/160 nm).采用相同退火时间、不同退火温度对不同的Ti与Al比的AlGaN/GaN HEMT结构进行退火.通过XRD对电极结构进行了分析,利用金相显微镜观察了电极的表面形貌.实验结果显示,相同退火时间条件下,退火温度在800℃, Ti与Al比为1∶5的AlGaN/GaN HEMT结构形成了较好的欧姆接触.     

脉冲激光沉积GaN薄膜

采用脉冲激光沉积技术,在Al2O3（0001）衬底上生长GaN薄膜,利用X射线衍射（XRD）、原子力显微镜（AFM）研究了不同沉积温度,不同沉积压强对所生长的GaN薄膜晶体结构特征的影响.研究表明,沉积温度影响GaN薄膜结构,在700～750℃沉积范围内随温度升高,所沉积生长的GaN薄膜具有良好的结晶质量.在5～10Pa沉积气压范围内,提高气压有利提高GaN薄膜的结晶质量.     

晶格匹配InAlN/GaN异质结2DEG迁移率机制研究

在晶格匹配In_(0.17)Al_(0.83)N/GaN异质外延上制备了TLM测试结构,通过提取方块电阻计算不同温度(100-525 K)的迁移率,并采用多种散射模型拟合迁移率温度依赖曲线,研究了高低温下InAlN/GaN异质结2DEG的迁移率机制.结果表明,随着温度由100 K逐渐增加至525 K,2DEG迁移率随温度增加而降低,低于200 K时平缓降低,高于200 K时则快速降低.多种散射模型拟合迁移率温度依赖数据表明,产生上述现象的原因是低温下(200 K),2DEG迁移率主要受界面粗糙散射影响,随着温度升高,极性光学声子散射占主导.     

两步法工艺制备GaN纳米晶

采用先在Si(111)衬底上磁控溅射制备Ga2O3,然后在氨气气氛中退火氨化的方法制备了一维GaN纳米晶结构.通过对不同温度下氨化生长的GAN纳米晶的扫描电子显微镜(SEM)观察,确定了氨化生长一维GaN纳米晶的最佳制备温度为950℃.用X射线衍射(XRD)分析了硅片上的纳米晶成分,并用高分辨电镜(HRTEM)观察了该实验条件下生长的一维GaN纳米晶的微观结构.     

立方ScN、GaN的结构和高温热力学性质的第一性原理研究

通过第一性原理计算了ScN和GaN立方氯化钠相的结构、声子及高温热力学性质;并采用超胞方法计算声子态密度,通过准谐近似计算得到了ScN和GaN的热膨胀系数、热熔及熵值随温度的变化关系,所得结果与现有实验值符合较好.     

高压功率LDMOS阈值电压温度系数的分析

分析了高压LDMOS在-27℃至300℃温度范围内的温度特性,并给出了阈值电压温度系数的计算公式.根据计算结果,可以得到以下结论:高压LDMOS的阈值电压温度系数在相当宽的温区内是一常数;可用温度的线性表达式来计算阈值电压温度系数;薄栅氧化层和高沟道掺杂浓度可减小高压功率LDMOS的阈值电压温度系数.     

光学声子散射对纤锌矿AlN/GaN异质结中电子迁移率的影响

考虑导带弯曲和有限高势垒,利用变分法和力平衡方程研究了界面光学声子和半空间光学声子散射对纤锌矿AlN/GaN异质结中二维电子气(2DEG)迁移率的影响,数值计算了各支光学声子作用下迁移率随电子面密度及温度的变化.结果表明:总迁移率随电子面密度先上升后下降,随温度升高则一直呈下降趋势.在较低电子面密度时,沟道区的体纵光学声子散为影响迁移率的主要因素;当电子面密度大于4×10113/cm2时,界面声子散射成为主要因素.     

n型GaN薄膜输运性质与发光研究

系统研究了掺Si的n型GaN的表面形貌、电学性质和光学性质。GaN薄膜采用金属有机化学气相沉积系统（MOCVD）制备,通过选择不同掺杂流量的siH4,使n型载流子浓度变化范围为3×10^16-5．4×10^18cm^-3。原子力显微镜研究发现随掺杂浓度的增加样品表面形貌变粗糙,表面位错坑密度增加,表明了晶体质量下降。变温霍尔效应获得载流子浓度随温度的变化曲线（n-1/T）,拟合得到不同Si掺杂量下,Si杂质在GaN中的电离激活能在12～22meV之间变化,它是施主波函数的相互作用增强所造成。通过研究迁移率随温度（μ-T）的关系曲线,认为载流子输运过程受不同温度下的散射机制影响。光致发光谱研究了室温下GaN薄膜带边发光和黄带,发现带边发光峰的移动是伯斯坦-莫斯效应和能带重整化效应共同作用的结果,并拟合得到了能带收缩效应系数-1．07×10^-8eV／cm,指出黄带的产生和变化与不同Si掺杂浓度下Ga空位的浓度相关。