肖特基C-V法研究AlxGa1-xN/GaN异质结界面二维电子气

通过对Pt/AI0 22Ga078N/GaN肖特基二极管的C-V测量,研究分析了A1022Ga078N/GaN异质结界面二维电子气(2DEG)浓度及其空间分布.测量结果表明,Al0.22Ga.8N/GaN异质结界面2DEG浓度峰值对应的深度在界面以下1.3nm处,2DEG分布峰的半高宽为2.3nm,2DEG面密度为6.5×1012cm-2.与AlxGa1xAs/GaAs异质结比,其2DEG面密度要高一个数量级,而空间分布则要窄一个数量级.这主要归结于A1xGa1-xN层中～MV/cm量级的压电极化电场和自发极化电场对AlxGa1-xN/GaN异质结能带的调制和AlxGa1xN/GaN异质结界面有更大的导带不连续.     

半导体技术

O47 2007010615Al组分对AlxGa1-xN/GaN异质结构中二维电子气输运性质的影响/唐宁,沈波,王茂俊,杨志坚,徐科,张国义,桂永胜,朱博(北京大学物理学院人工微结构和介观物理国家重点实验室)//半导体学报.―2006,27(2).―235～238.在低温和强磁场下,通过磁输运测量研究了不同Al组分调制掺杂AlxGa1-xN/GaN异质结二维电子气(2DEG)的磁电阻振荡现象。观察到低Al组分异质结中的2DEG有较低的浓度和较高的迁移率。图3表0参5     

Analysis of PTCDA/ITO Surface and Interface Using X-ray Photoelectron Spectroscopy and Atomic Force Microscopy

在低温和强磁场下,通过磁输运测量研究了不同Al组分调制掺杂AlxGa1-xN/GaN异质结二维电子气(2DEG)的磁电阻振荡现象.观察到低Al组分异质结中的2DEG有较低的浓度和较高的迁移率.     

Al组分对AlxGa1-xN/GaN异质结构中二维电子气输运性质的影响

在低温和强磁场下,通过磁输运测量研究了不同Al组分调制掺杂AlxGa1-xN/GaN异质结二维电子气(2DEG)的磁电阻振荡现象.观察到低Al组分异质结中的2DEG有较低的浓度和较高的迁移率.     

AlGaN/AlN/GaN HEMT结构2DEG的光致发光谱

AlGaN/GaN HEMT结构材料主要用于研制微电子器件,对其发光性质的研究相对较少。通过对AlGaN/GaN HEMT结构材料的光致发光谱(PL)研究,观测到了AlGaN势垒层中Al组分为40%的AlGaN/AlN/GaN结构中二维电子气(2DEG)光致发光及其能级分裂现象。在4.5 K低温下,其2DEG发光峰在GaN带边峰能量以下30和40 meV处分裂成两个峰位,直至温度持续升高至40 K后消失。根据GaN价带顶部在单轴晶格场和自旋-轨道耦合共同作用下的能级分裂理论,因自旋-轨道耦合引起的2DEG发光峰两个分裂能级差约为10 meV,与实验测得的结果一致,因此实验观测到的2DEG发光峰的分裂现象是由于氮化镓价带能级的自旋-轨道耦合而形成的。     

界面极化效应对AlxGa1-xN/GaN异质结pin探测器光电响应的影响

设计了正面入射的探测波长范围限制在326～365nm的AlxGa1-xN/GaN异质结pin光电探测器.利用自洽求解薛定谔-泊松方程计算了AlxGa1-xN/GaN异质结在无极化、完全极化和部分极化的能带图,结合光电响应谱的模拟,分析了界面极化效应对AlxGa1-xN/GaN异质结pin紫外光电探测器响应特性的影响并提出了改善方法.     

界面极化效应对AlxGa1-xN/GaN异质结pin探测器光电响应的影响

设计了正面入射的探测波长范围限制在326～365nm的AlxGa1-xN/GaN异质结pin光电探测器.利用自洽求解薛定谔-泊松方程计算了AlxGa1-xN/GaN异质结在无极化、完全极化和部分极化的能带图,结合光电响应谱的模拟,分析了界面极化效应对AlxGa1-xN/GaN异质结pin紫外光电探测器响应特性的影响并提出了改善方法.     

GaN和AlxGa1-xN/CaN异质结的高温性质

通过高温Hall测量研究了GaN和AlxGa1-xN/GaN异质结从室温到500℃高温下的输运性质.实验发现GaN背景载流子浓度随着温度的升高而升高,载流子浓度变化的幅度和GaN的位错密度存在正比关系,持续光电导的跃迁幅度和GaN的位错密度也存在正比关系,说明位错相关的深施主或者陷阱对GaN在高温下的背景浓度有很大影响.实验发现AlxGa1-xN/GaN异质结中二维电子气的浓度在室温到250℃的范围内随着温度的升高而下降,然后随着温度的升高开始增加.前者主要是由于随着温度的升高,AlxGa1-xN/GaN异质结的导带不连续减小引起的,后者主要是由GaN层背景载流子浓度增加导致的.通过求解自洽的薛定谔和泊松方程得到的二维电子气浓度的温度关系和实验结果一致.     

GaN和AlxGa1-xN/CaN异质结的高温性质

通过高温Hall测量研究了GaN和AlxGa1-xN/GaN异质结从室温到500℃高温下的输运性质.实验发现GaN背景载流子浓度随着温度的升高而升高,载流子浓度变化的幅度和GaN的位错密度存在正比关系,持续光电导的跃迁幅度和GaN的位错密度也存在正比关系,说明位错相关的深施主或者陷阱对GaN在高温下的背景浓度有很大影响.实验发现AlxGa1-xN/GaN异质结中二维电子气的浓度在室温到250℃的范围内随着温度的升高而下降,然后随着温度的升高开始增加.前者主要是由于随着温度的升高,AlxGa1-xN/GaN异质结的导带不连续减小引起的,后者主要是由GaN层背景载流子浓度增加导致的.通过求解自洽的薛定谔和泊松方程得到的二维电子气浓度的温度关系和实验结果一致.     

AlxGa1-xN/GaN肖特基二极管的高温特性

High-temperature characteristics of the metal/AlxGa1-xN/GaN M/S/S （M/S/S） diodes have been studied with current-voltage （I-V） and capacitance-voltage （C-V） measurements at high temperatures. Due to the presence of the piezoelectric polarization field and a quantum well at the AlxGa1-xN/GaN interface, the AlxGal-xN/GaN diodes show properties distinctly different from those of the AlxGa1-xN diodes. For the AlxGa1-xN/GaN diodes, an increase in temperature accompanies an increase in barrier height and a decrease in ideality factor, while the AlxGa1-xN diodes are opposite. Furthermore, at room temperature, both reverse leakage current and reverse breakdown voltage are superior for the AlxGa1-xN/GaN diodes to those for the AlxGa1-xN diodes.     

耦合GaN/AlxGa1-xN量子点的非线性光学性质

在有效质量和偶极矩近似下,考虑了由于压电极化和自发极化所引起的内建电场和量子点的三维约束效应,对纤锌矿对称Al_xGa_(1-x)N/GaN/Al_xGa_(1-x)N/GaN/Al_xGa_(1-x)N圆柱型应变耦合量子点中激子非线性光学性质进行了研究。计算结果表明,内建电场使吸收光谱向低能方向移动,发生红移现象,并且使吸收峰强度大大减小。量子限制效应使光吸收峰强度随着量子点尺寸的减小而增强,并且随着量子点尺寸的减小,吸收光谱发生蓝移现象。     

AlGaN /GaN分布布拉格反射镜的MOCVD生长

文中利用MOCVD方法,采用高质量GaN作为缓冲层,在（0001）取向的蓝宝石衬底上实现了不同组分的AlxGa1-xN/GaN分布布拉格反射镜（DBR）的制备.通过XRD、SEM、AFM、反射谱等测量分析手段,研究了AlxGa1-xN/GaN DBR的结构质量、厚度和表面形貌.     

材料结构对AlGaN基分布布拉格反射镜特性的影响

采用低压MOCVD技术生长了AlGaN／GaN、AlGaN／AlN等多种交替生长结构的半导体多层膜分布布拉格反射镜（DBR）。利用X射线衍射、扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）等测量手段对材料的物理特性进行了分析表征。结果表明，材料结构对DBR的性能影响很大。通过材料的优化生长，获得了反射率高达93.5％、中心波长和发射率都接近理论值的AlGaN／AlNDBR材料。     

Analysis of PTCDA/ITO Surface and Interface Using X-ray Photoelectron Spectroscopy and Atomic Force Microscopy

利用X射线光电子能谱(XPS)对苝四甲酸二酐[3,4,9,10-perylenetetracarboxylic dianhydride(PTCDA)]/铟锡氧化物(ITO)表面和界面进行了研究.用原子力显微镜(AFM)对PTCDA/ITO样品的表面形貌进行了分析.XPS表明,在原始表面的C1s精细谱存在两个主谱峰和一个伴峰,主谱峰分别由结合能为284.6eV的苝环中的C原子和结合能为288.7eV的酸酐基团中的C原子激发;而结合能为290.4eV的伴峰的存在,说明发生了来源于ITO膜中的氧对C原子的氧化现象.O原子在C=O键和C-O-C键的结合能分别为531.5和533.4eV.在界面处,C1s谱中较高结合能峰消失,且峰值向低结合能方向发生0.2eV的化学位移;O1s谱向低结合能方向发生1.5eV的化学位移.由此可以推断,在界面处PTCDA与ITO的结合是PTCDA中的苝环与ITO中的In空位的结合.AFM的结果显示,PTCDA薄膜为岛状结构,岛的直径约为100～300nm,表面起伏约为14nm.相邻两层PTC-DA分子由于存在离域大π键而交叠和PTCDA分子中的苝环与ITO的In空位的紧密结合是最终导致PTCDA岛状结构形成的原因.     

Electrical Spin Injection into the 2D Electron Gas in AlN/GaN Heterostructures with Ultrathin AlN Tunnel Barrier

The spin injection into 2D electron gas (2DEG) in AlN/GaN heterostructures is studied by magneto-transport measurements. An ultrathin AlN layer at the hetero-interface acts as a barrier to form high-quality 2DEG in the triangular quantum well and a tunneling barrier for the spin injection to overcome the conductance mismatch issue. In this study, Hanle signals and inversed Hanle signals are observed, proving that the spin injection is achieved in the 2DEG in the AlN/GaN heterostructure rather than in the interfacial states. The spin-relaxation time in 2DEG at 8 K is found to be as long as 860 ps, which almost keeps constant with bias and decreases with increasing temperature. The spin-relaxation process is illustrated as Rashba spin-orbit coupling dominated D'yakonov Perel’ mechanisms above 8 K. These results show the promising potential of 2DEG in AlN/GaN heterostructures for spin field-effect transistor applications.     

Binding energies of shallow impurities in asymmetric strained wurtzite Al_x Ga_(1-x)N/GaN/AIy Ga1-y N quantum wells

The ground state binding energies of hydrogenic impurities in strained wurtzite Al_xGa_1-xN/GaN/Al_yGa_1-yN quantum wells are calculated numerically by a variational method.The dependence of the binding energy on well width,impurity location and Al concentrations of the left and right barriers is discussed,including the effect of the built-in electric field induced by spontaneous and piezoelectric polarizations.The results show that the change in binding energy with well width is more sensitive to the impurity position and barrier heights than the barrier widths,especially in asymmetric well structures where the barrier widths and/or barrier heights differ.The binding energy as a function of the impurity position in symmetric and asymmetric structures behaves like a map of the spatial distribution of the ground state wave function of the electron.It is also found that the influence on the binding energy from the Al concentration of the left barrier is more obvious than that of the right barrier.     

Bound polaron in a strained wurtzite GaN/Al_xGa_(1-x)N cylindrical quantum dot

Within the effective-mass approximation,a variational method is adopted to investigate the polaron effect in a strained GaN/Al_xGa_1-xN cylindrical quantum dot.The electron couples with both branches of longitudinal optical-like（LO-like）and transverse optical-like（TO-like）phonons and the built-in electric field are taken into account.The numerical results show that the binding energy of the bound polaron is reduced obviously by the polaron effect on the impurity states.Furthermore,the contribution of LO-like phonons to the binding energy is dominant,and the anisotropic angle and Al content influence on the binding energy are small.     

氮化物半导体电子器件的若干研究进展

近年来,氮化物半导体电子器件和材料研究有了重大的进展。在国家自然科学基金资助下,西安电子科技大学、北京大学和中科院微电子所完成了国家自然科学基金重点项目《GaN宽禁带微电子材料和器件重大基础问题研究》。致力于通过氮化物电子材料和器件的基础物理机理研究提高GaN电子材料的结晶质量和电学性能、发展新结构GaN异质结材料研究,获得高性能的GaN HEMT微波功率器件。本文主要介绍该项目在GaN微波功率HEMT和新型高k栅介质MOS-HEMT、InAlN/GaN材料的生长和物性缺陷分析以及HEMT器件研制、GaN异质结的量子输运和自旋性质研究以及GaN材料高场输运性质和耿氏器件等几个方面取得的研究进展。