GaN光电导开关载流子散射机制及暗态电阻率温度特性研究

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光电导开关是光电技术与超快脉冲激光器结合的一种新型半导体器件。与传统开关相比,光电导开关具有ps量级的响应时间与恢复时间、ps量级的触发时间抖动、受电磁干扰影响小、耐压性高、体积小、重量轻、根据不同情况可灵活设计几何结构等优良特性,使其在工业领域、医学领域、军工领域等都有广阔应用前景。光电导开关的暗态电阻率是影响开关耐压性的重要指标,通常由电子迁移率与载流子浓度决定,电子迁移率与载流子浓度均与温度相关,因此通过研究半导体材料电子迁移率的温度特性进而探究其暗态电阻率的热特性对如何提高开关性能具有重要意义。本论文考虑载流子各种散射机制和材料能级补偿机制的基础上,对GaN:Fe光电导开关载流子迁移率和暗态电阻率的温度特性进行了模拟研究。论文的主要内容如下:(1)将GaN材料的能带结构特性与费米黄金法则、玻尔兹曼输运方程、动量弛豫率近似原理结合,分析并给出GaN在电离杂质散射、声学波形变势散射、声学波压电散射及极化光学散射这四种散射机制限制下各自的迁移率模型,为求解GaN光电导开关载流子散射机制的温度特性提供理论基础。(2)基于GaN:Fe能级补偿机制和主要散射机制限制的迁移率模型,对不同温度范围各种散射机制的主次作用关系及总迁移率的温度特性进行了模拟研究。结果表明:总迁移率的温度特性呈单峰性,当温度为251K时,峰值迁移率达603 cm2/V·s,室温(300 K)下电子迁移率为553 cm2/V·s,模拟结果与实验结果较好吻合;在温度相对低的情况下(T<292K),电离杂质散射发挥主要作用;292K<T<500K,极化光学散射发挥决定性作用;而总迁移率受声学声子散射与声学压电散射影响较小。此外,对施主浓度对迁移率峰值的作用规律进行了研究,模拟结果表明迁移率峰值随施主浓度的增大而减小,峰值温度(迁移率峰值对应温度)随施主浓度的增大向高温方向移动。(3)模拟50-500 K温度范围内半绝缘GaN暗态电阻率随温度的变化规律,结果表明:电阻率随温度的上升而减小。当在室温300 K时,深受主Fe的能带宽度0.58 eV,电阻率达到3.2×109Ω·cm;确定了深受主Fe距离导带底0.51 eV时,电阻率为1.95×109Ω·cm与已报道实验结果2×109 Ω·cm基本吻合。此外研究了施主浓度、电子的有效质量对温度特性的影响,研究表明:随着施主浓度的增大,电阻率不断减小;随着有效质量的增大,电阻率增加;在室温(300K)下,当施主浓度小于2×1016cm-3时,施主浓度对电阻率有显著影响;在模拟的温度范围,电子有效质量对电阻率影响较小。
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