纤锌矿氮化物量子阱中电子迁移率及应变和压力调制

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纤锌矿氮化物半导体具有禁带宽度大、临界场强高、热导率大、饱合漂移速度高、稳定性好等特点,是制作高频大功率器件的重要材料.目前,GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)的理论和实验研究是一个热点方向.纤锌矿氮化物量子阱是GaN-HEMT的基本结构,强自发和压电极化效应使体系在界面处产生高浓度的二维电子气(2DEG).2DEG的浓度和迁移率决定HEMT的电学特性.本文基于介电连续模型、单轴晶体模型和雷-丁平衡方程方法,讨论在光学声子起主要散射作用的温度区域,纤锌矿氮化物量子阱中的电子迁移率.主要研究内容和所得结果概括如下:(1) AlN/GaN/AlN量子阱中电子迁移率的尺寸效应.结果表明,在室温和常压下,在窄阱和宽阱时,界面光学声子散射对电子的迁移率起主导作用;在中间阱宽时,局域光学声子散射对电子的迁移率起主导作用.电子迁移率随阱宽的增加先从一小值减小至低谷,然后增加,最终在某一阱宽时达到饱合值.对给定阱宽,有限垒宽情形的电子迁移率大于无限垒宽情形.减小阱区的内建电场可增大电子迁移率.量子阱的尺寸会改变体系的内建电场强度及2DEG分布,尺寸的优化可提高电子迁移率,从而改进HEMT的性能.(2) AlN/GaN/AlN量子阱中电子迁移率的流体静压力效应.计算发现,随着流体静压力的增大,一方面材料的有效质量、高频介电常数、光学声子频率、体系的带阶和内建电场均增大;另一方面体系中声子数却减少.结果表明,电子迁移率随着流体静压力的增大而微弱增大.(3) AlxGa1-xN/GaN/AlxGa1-xN量子阱中光学声子模的三元混晶(TMC)效应以及对电子迁移率的影响.结果发现,由于声子色散的各向异性,量子阱中各类光学声子模随组分而变化,声子的局域模,界面模,半空间模以及传播模存在于特定组分和频率范围内,且同种声子模色散关系也随组分而改变.随着Al组分的增加,对称光学声子对电子的作用减弱,反对称光学声子对电子的作用则增强.电子迁移率随Al组分和温度的增加而减小,随电子面密度的增大而增大.(4)在AlN/GaN/AlN量子阱中引入InGaN凹槽层对电子迁移率的影响.结果显示,InGaN/GaN界面的引入和TMC效应使体系的声子模式发生改变.当In组分增加到使导带上InGaN/GaN界面处的能量低于AIN/GaN界面处的能量时,2DEG将由GaN阱转移至InGaN凹槽层.当电子主要分布在阱区时,随着In组分的增大,电子迁移率先增后减,但总是高于不含InGaN凹槽层之情形;当2DEG转移至InGaN凹槽层时,迁移率则突然降低,此后又随In组分的增大而逐渐增大.上述结论对于相关实验和HEMT的设计有指导作用.
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