鐵電-半導體異質結二維電子氣的特性研究.pdf

1、由于鐵電材料具有大的極化且可反轉以及熱電、壓電和介電非線性等豐富的特性，鐵電材料與半導體材料結合將獲得新穎的物理性能，從而孕育新的電子器件。本文一方面基于第一性原理的結果和電荷控制模型對以GaN為基的鐵電/半導體異質結界面中的二維電子氣（2DEGs）、能帶圖等特性進行了研究；另一方面基于電子散射機制就對鐵電/半導體異質結構特別是鐵電/AlGaN/GaN結構中界面的二維電子氣（2DEGs）的傳輸特性及遷移率進行了詳細的研究與討論。

2、　　一、本文基于第一性原理的結果和電荷控制模型計算了四種典型的鐵電/半導體異質結構。
　　1.對鐵電（BST）/GaN異質結構，本文詳細分析了鐵電極化的強度、介電常數(shù)和結構器件中柵極加偏壓時對此結構界面2DEG濃度分布及結構能帶圖的影響。發(fā)現(xiàn)BST/GaN結構較AlGaN/GaN更易形成增強型器件，大的鐵電極化可誘導產(chǎn)生極高濃度的2DEG。
　　2.對鐵電(BST)/AlGaN/GaN異質結構，研究分析了鐵電體的厚度和極化強

3、度對AlGaN/GaN界面的2DEG的影響。發(fā)現(xiàn)正的鐵電極化使GaN溝道2DEG濃度提高，鐵電厚度對異質結2DEG有很大的影響，AlGaN勢壘層越薄2DEG對鐵電體越敏感。
　　3.對AlGaN/GaN/鐵電雙異質結結構而言，也詳細論述了鐵電體的極化強度對AlGaN/GaN異質結的能帶圖和2DEG的分布的影響，AlGaN/GaN/BTO雙異質結構可在GaN內(nèi)形成雙溝道，載流子濃度提高2倍以上。鐵電體上的應變氮化鎵(SSOF)，還可

4、進一步提高載流子遷移率，有利于制作高速、高功率器件。
　　4.對于應變AlGaN/GaN結構來說，闡述了在應變條件下界面2DEG的變化關系。1GPa的單軸壓應力可使AlGaN/GaN結構2DEG濃度提高30％，10GPa的壓應力則可使2DEG濃度提高2.4倍。并討論了這種2DEG提高的原因主要是因為壓應力使AlGaN壓電極化增強引起的。
　　二、在前人關于AlGaN/GaN異質結構2DEG遷移率模型的基礎上，我們對鐵電/Al

5、GaN/GaN異質結2DEG考慮了聲學形變勢散射、壓電聲子散射和界面粗糙散射、位錯散射、電離雜質散射、極化光學聲子散射、合金散射和偶極子散射等八大散射機制，建立起完備的遷移率模型。并分析了各種散射機制在不同溫度、不同結構參數(shù)下對異質結2DEG遷移率的影響規(guī)律。
　　1. GaN的張應變使極化光學聲子能量提高，從而減小極化光學聲子散射，提高遷移率，同時預測了GaN/BTO結構中由于GaN與BTO晶格失配引起的張應變將提高2DEG濃度