文档介绍：西安电子科技大学
博士学位论文
AlGaN/GaN超晶格p型掺杂及输运特性研究
姓名:陈军峰
申请学位级别:博士
专业:微电子学与固体电子学
指导教师:郝跃
20100401
摘要 i
摘要
作为第三代半导体材料的代表,GaN 材料具有大禁带宽度(~)、强极化效
应(GaAs 的4~5 倍)、高临界场强(2MV/cm)、高载流子饱和速率(2×107cm/s)和高热
导率()等优异的特点。GaN 材料以及基于 GaN 材料的各种器件在近十年中得
到了系统和深入的研究。目前 GaN 微波功率器件已经在军用雷达和航天领域得到了初步的
应用;在民用领域中,各种 GaN LED 和 LD 器件已经广泛应用于汽车电子和高端照明设
备。但是 GaN 基器件,尤其是 AlGaN/GaN 多层结构的应用与开发仍然存在着较多的问题
值得深入的研究。特别是 AlGaN/GaN 超晶格由于能够通过调节 Al 组份和周期长度等结构
参数来人为的控制器件的能带形状,因而在高频振荡器、发光器件和探测器等众多领域有
着广泛的应用前景。此外 GaN 基材料现在仍然面临着许多的问题,特别是 GaN 材料的 p
型掺杂始终没有很好的解决,这一问题严重的制约着 HBT 和LED 等需要高质量 p 型材料
器件的发展。本文正是在这一背景下,针对超晶格结构的特点在超晶格 p 型掺杂以及外加
太赫兹电场下的稳态非线性响应两个方面进行了研究。
在超晶格 p 型掺杂方面,本文在分析了现有 GaN p 型掺杂技术所面临的困难与不足后,
提出了利用超晶格结构提高 GaN 材料 p 型掺杂效果的方案。随后系统的研究了超晶格结构
掺杂的机理,分析了超晶格周期长度和 Al 组份对掺杂效果的影响。优化了 MOCVD 技术
生长掺 Mg AlGaN/GaN 超晶格的实验条件,通过 Hall、PL 谱、HRXRD 和AFM 测试验证
了AlGaN/GaN 超晶格掺 Mg 方案的有效性。取得了以下关于 AlGaN/GaN 超晶格掺 Mg 的
成果和结论:
超晶格的空穴微带效应和界面应力是超晶格结构增强 p 型掺杂效果的
机理。超晶格形成的空穴微带能够降低 AlGaN 材料中受主元素的激活能,使得受主的离化
率得到提高。同时界面张应力的存在使得受主 Mg 更容易掺入势垒层中。
AlGaN/GaN 超晶格的空穴微带有较大的
影响。考虑极化效应和界面应力时 AlGaN/GaN 超晶格的平均空穴浓度比不考虑这些效应
时高约一个量级。
,优化了超晶格
周期长度、Al 组份和反应室压力等参数。认为高的反应室压力、Al 组份以及约十纳米的超
晶格周期长度有利于掺杂效率的提高。
·cm,空穴浓度为 的AlGaN/GaN 超晶格样品。
这一结果优于目前 GaN 体材料 p 型掺杂的结果,证明了超晶格结构在 p 型掺杂中的作用,
这一结果对于 LED 和HBT 等器件具有一定的应用价值。
ii AlGaN/GaN 超晶格 p 型掺杂及输运特性研究
在 AlGaN/GaN 超晶格在外加太赫兹电场下的稳态非线性响应方面,本文进行了以
下的工作:
首先,针对 AlGaN/GaN 异质结的特点,建立了包含界面应力和极化效应的导带断续
模型。使用单个势阱中电子的基态波函数作为基,利用紧束缚模型构建了 AlGaN/GaN 超
晶格的色散模型,并对各种条件下的色散关系进行了数值计算。
第二,改进了传统的简单余弦色散模型,并在此基础上,基于半经典理论建立了
AlGaN/GaN 超晶格第一微带电子在外加激励下的输运模型。
第三,采用傅立叶变换分析了在外加太赫兹激励电场下超晶格的稳态非线性响应。重
点计算和分析了三次谐波稳态响应的动态电阻、相位差和相对效率与基频激励电场强度、
三次谐波激励电场强度和基频频率之间的关系。
关键词:超晶格 p型掺杂氮化镓非线性响应太赫兹
Abstrat i
Abstrat
As a representative of the third generation of semiconductor material, GaN-based materials are
famous for their large band gap ( ~ ), strong polarization effects (4 ~ 5 time