AlGaN异质结二维电子气模拟AlGaN异质结二维电子气模拟.pdf

物 理 学报 ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．8(2014) 080202 N极性GaN／AlGaN异质结二维电子气模拟冰 王现彬 )2) 赵正平 )2) 冯志红2)十 1)(河北工业大学信息工程学院，天津 300130) 2)(专用集成电路国家级重点实验室，石家庄 050051) (2013年 12月30日收到；2014年 1月 16日收到修改稿) 通过 自洽求解薛定谔方程和泊松方程，较系统地研究了GaN沟道层、A1GaN背势垒层、Si掺杂和A1N插 入层对N极性GaN／A1GaN异质结中二维电子气 (2DEG1的影响．分析表明，GaN沟道层厚度、AlGaN背势 垒层厚度及Al组分变大都能一定程度上提高二维电子气面密度，A1GaN背势垒层的厚度和Al组分变大也 可提高二维 电子气限阈性，且不同的Si掺杂形式对二维电子气的影响也有差异，而AIN插入层在提高器件 二维电子气面密度、限闽性等方面表现都较为突出．在模拟中GaN沟道层厚度小于5nm 时无法形成二维 电子气，超过20am后二维 电子气面密度趋于饱和，而AIGaN背势垒厚度超过40nm后二维 电子气也有饱 和趋势．对均匀掺杂和delta掺杂而言A1GaN背势垒层Si掺杂浓度超过 5X10 cm 后2DEG面密度开 始饱和．而厚度为2ilmA1N插入层的引入会使2DEG面密度从无A1N插入层时的0．93×10 cm 提高到 1．】7X 】013cm一2 ． 关键词：N极性，GaN／A1GaN异质结，二维电子气，限阈性 PACS：02．70．Bf，73．43．Cd，73．61．Ey，73．40．Kp DOI：10．7498／aps．63．080202 模及设计制造提供理论参考，同时通过模拟研究也 1 引 言 可以进一步优化器件结构及HEMT性能．文献f31 通过 自洽求解薛定谔方程和泊松方程，理论分析了 A1GaN／GaN异质结材料特性极佳，如具 A1Ga1--xN势垒层 中的Al组分 对2DEG 分布、 有 高击 穿 电场 f5X 106．V．cm )、高 热传 导 率 面密度及子带中电子分布等特征的影响，随后另文 (1．3W．am_。．K )、高峰值速率 (3X107cm／s)及 从理论角度研究了弛豫度及AlGaN势垒层掺杂对 高饱和速率f2．5X107cm／s)等特点，同时 由于 2DEG等相关特征的影响[4】．此外势垒层厚度、插 A1GaN和GaN具 有很 强的 自发极化 和压 电极 入层等都会对2DEG产生作用 5[，引．这些相关文 化效应，非故意掺杂情况下可 以在A1GaN／GaN 献中研究的对象都是Ga极性 (Ga—polar，Ga-face) 异 质 结 的三 角 形 势 阱 中形 成 迁 移 率 高 达 GaN基HEMT，而对N极性fN—polar，N-face)GaN 103am2．V一1．S-1及面密度为1013am一2数量级的 基HEMT的2DEG相关理论研究尚未见系统报道． 二维电子气f2DEG)，促使GaN基高电子迁移率晶 体管 (H