论文部分内容阅读
由于铁电材料具有大的极化且可反转以及热电、压电和介电非线性等丰富的特性,铁电材料与半导体材料结合将获得新颖的物理性能,从而孕育新的电子器件。本文一方面基于第一性原理的结果和电荷控制模型对以GaN为基的铁电/半导体异质结界面中的二维电子气(2DEGs)、能带图等特性进行了研究;另一方面基于电子散射机制就对铁电/半导体异质结构特别是铁电/AlGaN/GaN结构中界面的二维电子气(2DEGs)的传输特性及迁移率进行了详细的研究与讨论。一、本文基于第一性原理的结果和电荷控制模型计算了四种典型的铁电/半导体异质结构。1.对铁电(BST)/GaN异质结构,本文详细分析了铁电极化的强度、介电常数和结构器件中栅极加偏压时对此结构界面2DEG浓度分布及结构能带图的影响。发现BST/GaN结构较AlGaN/GaN更易形成增强型器件,大的铁电极化可诱导产生极高浓度的2DEG。2.对铁电(BST)/AlGaN/GaN异质结构,研究分析了铁电体的厚度和极化强度对AlGaN/GaN界面的2DEG的影响。发现正的铁电极化使GaN沟道2DEG浓度提高,铁电厚度对异质结2DEG有很大的影响,AlGaN势垒层越薄2DEG对铁电体越敏感。3.对AlGaN/GaN/铁电双异质结结构而言,也详细论述了铁电体的极化强度对AlGaN/GaN异质结的能带图和2DEG的分布的影响,AlGaN/GaN/BTO双异质结构可在GaN内形成双沟道,载流子浓度提高2倍以上。铁电体上的应变氮化镓(SSOF),还可进一步提高载流子迁移率,有利于制作高速、高功率器件。4.对于应变AlGaN/GaN结构来说,阐述了在应变条件下界面2DEG的变化关系。1GPa的单轴压应力可使AlGaN/GaN结构2DEG浓度提高30%,10GPa的压应力则可使2DEG浓度提高2.4倍。并讨论了这种2DEG提高的原因主要是因为压应力使AlGaN压电极化增强引起的。二、在前人关于AlGaN/GaN异质结构2DEG迁移率模型的基础上,我们对铁电/AlGaN/GaN异质结2DEG考虑了声学形变势散射、压电声子散射和界面粗糙散射、位错散射、电离杂质散射、极化光学声子散射、合金散射和偶极子散射等八大散射机制,建立起完备的迁移率模型。并分析了各种散射机制在不同温度、不同结构参数下对异质结2DEG迁移率的影响规律。1. GaN的张应变使极化光学声子能量提高,从而减小极化光学声子散射,提高迁移率,同时预测了GaN/BTO结构中由于GaN与BTO晶格失配引起的张应变将提高2DEG浓度的同时也提高了迁移率。2.研究了极化对偶极子散射以及对2DEG迁移率的影响,发现尽管极化强度变化对偶极子散射有较大影响,但在室温条件下偶极子散射对总迁移率贡献不大,仅为1%,因而极化对GaN异质结构2DEG在室温迁移率的影响并不显著。