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不同量子阱宽度的InP基In_0_53_G_省略_高电子迁移率晶体管材料二维电子

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HEMT高电子迁移率晶体管

HEMT高电子迁移率晶体管

HEMT⾼电⼦迁移率晶体管第五章⾼电⼦迁移率晶体管5.1 HEMT的基本结构和⼯作原理5.2 HEMT基本特性5.3 赝⾼电⼦迁移率晶体管5.1 HEMT的基本结构和⼯作原理⾼电⼦迁移率晶体管（High Electron Mobility Transistor ，HEMT），也称为2－DEG场效应晶体管；因⽤的是调制掺杂的材料，所以⼜称为调制掺杂场效应管。

1978年R.Dingle ⾸次在MBE（分⼦束外延）⽣长的调制掺杂GaAs/AlGaAs超晶格中观察到了相当⾼的电⼦迁移率。

1980年⽇本富⼠通公司的三村研制出了HEMT，上世纪80年代HEMT成功的应⽤于微波低噪声放⼤，并在⾼速数字IC⽅⾯取得了明显得进展。

传讯速度的关键在于电⼦移动速率快慢，HEMT中的电⼦迁移率很⾼，因此器件的跨导⼤、截⽌频率⾼、噪声低、开关速度快。

2作为低噪声应⽤的HEMT已经历了三代变化，低噪声性能⼀代⽐⼀代优异：第⼀代：AlGaAs/GaAs HEMT，12GHz下，NF为0.3dB，增益为16.7dB。

第⼆代：AlGaAs/InGaAs/GaAs HEMT (PHEMT赝⾼电⼦迁移率晶体管)，40GHz下，NF为1.1dB；60GHz下，NF为1.6dB；94GHz下，NF为2.1dB。

第三代：InP基HEMT，40GHz下，NF为0.55dB；60GHz下，NF为0.8dB；95GHz下，NF为1.3dB。

AlGaAs/GaAs HEMT的基本结构制作⼯序：在半绝缘GaAs衬底上⽣长GaAs缓冲层（约0.5µm）→⾼纯GaAs层（约60nm）→n型AlGaAs层（约60nm）→n型GaAs层（厚约50nm）→台⾯腐蚀隔离有源区→制作Au/Ge合⾦的源、漏欧姆接触电极→⼲法选择腐蚀去除栅极位置n型GaAs层→淀积Ti/Pt/Au栅电极。

图5-1 GaAs HEMT基本结构HEMT是通过栅极下⾯的肖特基势垒来控制GaAs/AlGaAs异质结中的2－DEG的浓度实现控制电流的。

InP基高电子迁移率晶体管讲课讲稿

InP基高电子迁移率晶体管讲课讲稿
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国外 4 英寸 InP 基器件工艺线已成熟并达到制造商业产品的水准,而我国 InP基材料、 器件和电路研究起步较晚,至今没有一条专门的 InP 工艺线,无论是器件还是电路性能 和国外先进水平相比都存在很大的差距。InP 毫米波技术的缺失,直接制约着我国武 器装备的发展。不过近年来随着国家的重视和知识创新体系的建立,经过广大科研工 作者的共同努力,该领域研究也取得了长足的进步。
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InP 基 HEMT 的优势
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化合物半导体器件中最具代表性、最能完美显示异质结结构特点的高频 器件是 HEMT 和异质结双极晶体管(HBT)。HEMT 器件不仅可获得高频、高 功率特性,还具有低噪声的优点。其优越特性源于独特的能带结构,即异质结界 面的导带不连续性,这种不连续性产生的二维电子气具有很高的低场迁移率和 饱和漂移速度。另外,HEMT 是平面结构器件,实现工艺比 HBT 简单得多。因 此 HEMT 器件被认为是微波/毫米波器件和电路领域中最具竞争力的三端器件。
ki和Tsu就提出:在异质结结构中,通过电离施主杂质和电子相分离的方式可 实现高频HEMT器件。随着分子束外延(MBE)和有机金属化学气象淀积(MOCVD)等外 延技术的突破,人们基于异质结结构制作出各种新型微电子和光电子器件。 1980年基于调制掺杂n-AlGaAs/GaAs异质结成功制作出首个HEMT器件。 1986年栅长为1 μm的InP基HEMT器件问世。 1989年Aust等人首次报道了基于赝配高电子迁移率晶体管(PHEMT)的单片微波集成 电路(MMIC)。 1990年Smith等人基于InP基HEMT成功研制出首款两级低噪声MMIC。 近年来,随着电子束工艺的诞生,亚0.1 μm量级T型栅工艺使得HEMT器件向THz高频方 向迅速发展,相关电路已经表现出向亚毫米波段迅猛发展的态势。

量子阱半导体激光器

量子阱半导体激光器

量子阱半导体激光器摘要：本文主要叙述了量子阱半导体激光器发展背景、基本理论、主要应用与发展现状。

一、发展背景1962年后期，美国研制成功GaAs同质结半导体激光器，第一代半导体激光器产生。

但这一代激光器只能在液氮温度下脉冲工作，无实用价值。

直到1967年人们使用液相外延的方法制成了单异质结激光器，实现了在室温下脉冲工作的半导体激光器。

1970年，贝尔实验室有一举实现了双异质结构的在室温下连续工作的半导体激光器。

至此之后，半导体激光器得到了突飞猛进的发展。

半导体激光器具有许多突出的优点：转换效率高、覆盖波段范围广、使用寿命长、可直接调制、体积小、重量轻、价格便宜、易集成等。

其发展速度之快、应用范围之广、潜力之大是其它激光器所无法比拟的。

但是，由于应用的需要，半导体激光器的性能有待进一步提高。

80年代，量子阱结构的出现使半导体激光器出现了大的飞跃。

量子阱结构源于60年代末期贝尔实验室的江崎(Esaki)和朱肇祥提出超薄层晶体的量子尺寸效应。

当超薄有源层材料后小于电子的德布罗意波长时，有源区就变成了势阱区，两侧的宽带系材料成为势垒区，电子和空穴沿垂直阱壁方向的运动出现量子化特点。

从而使半导体能带出现了与块状半导体完全不同的形状与结构。

在此基础上，根据需要，通过改变超薄层的应变量使能带结构发生变化，发展起来了应变量子阱结构。

这种所谓“能带工程”赋予半导体激光器以新的生命力，其器件性能出现大的飞跃。

具有量子阱结构的量子阱半导体激光器与双异质结半导体激光器(DH)相比，具有阈值电流密度低、量子效应好、温度特性好、输出功率大、动态特性好、寿命长、激射波长可以更短等等优点。

目前，量子阱已成为人们公认的半导体激光器发展的根本动力。

其发展历程大概为：1976年，人们用GaInAsP/InP实现了长波长激光器。

对于激光腔结构，Kogelnik和Shank提出了分布反馈结构，它能以单片形式形成谐振腔。

Nakamura用实验证明了用光泵浦的GaAs材料形成的分布反馈激光器(DBR)。

半导体器件物理专题 -HEMT综述

半导体器件物理专题 -HEMT综述

2.GaN体系HEMT
HEMT的关键是掺杂层和沟道层问的异质结。传统的GaAs或 InP基HEMT，掺杂层是n型掺杂，施主是2DEG的主要来源。 异质结处存在导带差，驱使电子从掺杂层进入到沟道层，并 将电子限制在沟道层内距异质结处几纳米范围内，形成2DEG。 高2DEG而密度是HEMT设计的目标。在GaN基HEMT中，除去 导带差异因素外，AIGaN和GaN的极化效应也能生成2DEG。 2DEG中的电子有三个主要来源：(1)从掺杂AIGaN层转移的电 子；(2)GaN沟道层巾杂质的贡献；(3)由极化效应诱生的上述 来源的电子。AIGaN／GaN界面处2DEG的面电子密度既取决 于导带不连续程度和异质结构的人为掺杂，又受到压电和自 发极化效应的影响。
二.两种体系的HEMT
以 GaAs 或者 GaN 制备的高电子迁移率晶体管（High Electron Mobility Transistors）以及赝配高电子迁移率晶体 管（Pseudo orphic HEMT）被普遍认为是最有发展前途的 高速电子器件之一。由于此类器件所具有超高速、低功 耗、低噪声的特点(尤其在低温下)，极大地满足超高速计 算机及信号处理、卫星通信等用途上的特殊需求，故而 HEMT 器件受到广泛的重视。作为新一代微波及毫米波器 件,HEMT 器件无论是在频率、增益还是在效率方面都表 现出无与伦比的优势. 经过 10 多年的发展,HEMT 已经具 备了优异的微波、毫米波特性,已成为 2～100 GHz 的卫星 通信、射电天文、电子战等领域中的微波毫米波低噪声 放大器的主要器件。同时他也是用来制作微波混频器、 振荡器和宽带行波放大器的核心部件。
1.GaAs体系HEMT
InGaAs层厚度约为20nm，能吸 收由于GaAs和InGaAs之间的晶 格失配（约为1％）而产生的应 力，在此应力作用下，InGaAs 的晶格将被压缩，使其晶格常 数大致与GaAs与AlGaAs的相匹 配，成为赝晶层。因为InGaAs 薄层是一层赝晶层且在HEMT中 起着 i –GaAs层的作用，所以成 为“赝”层，这种HEMT也就相 应地成为赝HEMT。

InP基高电子迁移率晶体管

InP基高电子迁移率晶体管
InP基高电子迁移率晶体管
2014-01-05
主要内容
半导体发光材料的发光机理简介 半导体材料的分类
半导体材料的制备工艺简介
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发展背景
• 随着社会的发展和技术的进步,宽带通信、高精度雷达和航空遥感等军民用领域对 高频系统需求越来越迫切。
凭借优良的频率特性,III-V族化合物半导体器件和相关高频、高速电路正日 益成为毫米波系统核心部件,成为大家竞相研究的焦点。在众多的III-V族化合物 半导体器件中,磷化铟(InP)基高电子迁移率晶体管(HEMT)具有电子迁移率 高、噪声低、功耗低及增益高等特点,在高速、高频等应用领域占据了重要的地 位。虽然目前InP HEMT还受到材料昂贵且易碎等方面的制约,但是凭借优异的高 频特性和低噪声性能,被公认为是实现超高速低噪声、功率放大电路的最佳选择, 拥有非常广阔的应用前景。因此,无论是满足军事国防需求还是提高我国在未来 信息市场的竞争力,我们必须首先独立研发高频InP HEMT器件。
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• 对于HEMT材料的器件研究，提高2DEG浓度和迁移率是至关重要。2DEG的 浓度主要受异质结材料导带偏移量ΔEc和杂质掺杂浓度以及电子转移效率的 影响。在材料一定的前提下，ΔEc就确定了,而过大的掺杂浓度必然导致平行 电导的出现。电子转移效率主要受势垒层及隔离层厚度影响并已经得到了系 统的研究。量子阱宽度对量子阱中电子在不同能级之间的分布以及对材料宏 观的2DEG浓度和迁移率的影响对于进一步优化InP基HEMT器件极为重要， 可是至今还缺乏这方面系统的实验研究。
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国外 4 英寸 InP 基器件工艺线已成熟并达到制造商业产品的水准,而我国 InP基材料、 器件和电路研究起步较晚,至今没有一条专门的 InP 工艺线,无论是器件还是电路性能 和国外先进水平相比都存在很大的差距。InP 毫米波技术的缺失,直接制约着我国武 器装备的发展。不过近年来随着国家的重视和知识创新体系的建立,经过广大科研工 作者的共同努力,该领域研究也取得了长足的进步。

高量子效率InPIn0.53Ga0.47AsInP红外光电阴极模拟

高量子效率InPIn0.53Ga0.47AsInP红外光电阴极模拟

第48卷第2期红外与激光工程2019年2月Vol.48No.2Infrared and Laser Engineering Feb.2019高量子效率InP/In0.53Ga0.47As/InP红外光电阴极模拟周振辉1,2,3，徐向晏1,3，刘虎林1,3，李岩4，卢裕1,3，钱森5,6，韦永林1,3，何凯1,3，赛小锋1,3，田进寿1,3，陈萍1,3(1.中国科学院西安光学精密机械研究所，陕西西安710119；2.中国科学院大学，北京100049；3.中国科学院超快诊断重点实验室，陕西西安710119；4.西安石油大学理学院，陕西西安710065；5.中国科学院高能物理研究所，北京100049；6.核探测与核电子学国家重点实验室，北京100049)摘要：将In0.53Ga0.47As吸收层设计为多个薄层，通过不同浓度掺杂实现吸收层杂质指数分布，建立了InP/In0.53Ga0.47As/InP红外光电阴极模型，在皮秒级响应时间的前提下模拟了吸收层厚度、掺杂浓度和阴极外置偏压对阴极内量子效率的影响，给出了光电子在吸收层和发射层的一维连续性方程和边界条件，计算了光电子克服激活层势垒发射到真空中的几率，进而获得阴极外量子效率随上述三个因素的变化规律，结果表明，吸收层掺杂浓度在1015~1018cm-3范围内变化时，内量子效率变化很小；随着吸收层厚度在0.09~0.81μm内增大，内量子效率随之增大；随着外置偏压升高，内量子效率先增大后趋于平稳。

文中给出一组既能获得高量子效率又能有快时间响应的阴极设计参数，理论上1.55μm入射光可以获得8.4%的外量子效率，此时响应时间为49ps。

关键词：量子效率；响应时间；指数掺杂；红外光电阴极；InP/In0.53Ga0.47As/InP中图分类号：TN215文献标志码：A DOI：10.3788/IRLA201948.0221002Simulation of InP/In0.53Ga0.47As/InP infrared photocathodewith high quantum yieldZhou Zhenhui1,2,3,Xu Xiangyan1,3,Liu Hulin1,3,Li Yan4,Lu Yu1,3,Qian Sen5,6,Wei Yonglin1,3,He Kai1,3,Sai Xiaofeng1,3,Tian Jinshou1,3,Chen Ping1,3(1.Xi′an Institute of Optics and Precision Mechanics of Chinese Academy of Sciences,Xi′an710119,China;2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing100049,China;3.Key Laboratory of Ultra-fast Photoelectric Diagnostics Technology of Chinese Academy of Sciences,Xi′an710119,China;4.Shool of Science,Xi′an Shiyou University,Xi′an710065,China;5.Institute of High Energy Physics,Chinese Academy of Sciences,Beijing100049,China;6.State Key Laboratory of Particle Detection and Electronics,Beijing100049,China)Abstract:An InP/I n0.53Ga0.47As/InP infrared photocathode model was established.The In0.53Ga0.47As absorber layer was designed as a multi-layer structure,the impurities of it were exponentially distributed by doping with different concentrations of the thin layers.The one-dimensional continuity equations and boundary收稿日期：2018-09-05；修订日期：2018-10-03基金项目：国家自然科学基金(11475209)作者简介：周振辉(1992-)，男，硕士生，主要从事光电成像方面的研究。

GaN基高电子迁移率晶体管研究进展

14科技资讯 SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION信 息 技 术DOI：10.16661/ki.1672-3791.2018.24.014GaN基高电子迁移率晶体管研究进展①任舰(淮阴师范学院计算机科学与技术学院 江苏淮安 223300)摘 要：由于氮化镓(GaN)材料具有禁带宽度大、击穿电场强、饱和电子漂移速度高等优异的物理特性，GaN基功率电子器件逐渐取代硅基电子器件在高温、高压与高频等领域的应用。

目前，由GaN及其合金材料制备的高电子迁移率晶体管(HEMT)是电力电子、无线通信和雷达等领域的核心器件。

除此之外，利用GaN基HEMT可制备高灵敏度的检测器件，在生物和光电检测领域的应用也越来越广泛。

但是，尽管GaN基HEMT的性能正不断取得突破，该器件的规模化应用仍受到电学可靠性问题的限制，本文重点阐述了GaN基HEMT的研究进展以及存在的电学可靠性问题。

关键词：GaN 高电子迁移率晶体管 可靠性中图分类号：TP211 文献标识码：A 文章编号：1672-3791(2018)08(c)-0014-03①基金项目：江苏省高等学校自然科学研究面上项目（项目编号：17KJB510007）。

作者简介：任舰（1988—），男，汉族，江苏淮安人，博士，讲师，研究方向：半导体功率器件制备与应用。

随着世界经济的快速增长，能源被快速消耗。

2005年，美国电子工业协会能源损耗调查指出，电能的有效使用率仅有约50%，因此提高电能转化效率对改善人类生存环境具有重要意义。

电力电子功率器件是新能源技术和高效电源管理方案的核心器件，该器件有助于提高电能转化效率，然而传统硅基半导体电力电子器件的性能已经接近极限，摩尔定律或将失效，进一步提高器件的性能需要付出巨大的成本，因此，推动了新型材料电力电子功率器件的研究和发展刻不容缓。

近十几年，以氮化镓(GaN)为代表的宽禁带III族氮化物半导体被认为是制备功率器件最理想的材料之一。

AlGaNGaN高电子迁移率晶体管(HEMT)器件与微波单片电路研究的开题报告

AlGaNGaN高电子迁移率晶体管(HEMT)器件与微波单片电路研究的开题报告一、研究背景现代电子技术中，高电子迁移率晶体管（HEMT）器件作为一种新型高速、高功率、低噪声器件，在通信、雷达、电子对抗等领域的应用非常广泛。

除此之外，HEMT器件经常被应用于大面积微波集成电路的制造，因为它具有低噪声系数、高增益、高工作电压、高稳定性等优点。

而AlGaNGaN材料则是HEMT的常用材料，因为具有优良的高电子迁移率和高热稳定性。

二、研究目的本文旨在研究AlGaNGaN材料的高电子迁移率晶体管（HEMT）器件和微波单片电路，主要有以下几个具体目的：1.分析、研究AlGaNGaN材料在HEMT器件中的应用特点和优势。

2.分析、研究AlGaNGaN材料在微波单片电路中的应用特点和优势。

3.设计和制备AlGaNGaN材料的HEMT器件和微波单片电路。

4.测试HEMT器件和微波单片电路的性能，并提出改进建议。

三、研究方法1.文献调研：对于AlGaNGaN材料和HEMT器件、微波单片电路等相关领域的文献资料进行系统性调研和分析，了解相关领域的发展现状和前沿技术。

2.材料制备：采用外延生长技术制备AlGaNGaN材料，根据需要设计和制备不同结构的HEMT器件和微波单片电路。

3.器件性能测试：使用特定的测试平台和测试方法对制备的HEMT器件和微波单片电路进行性能测试，如电学特性、无源参数、微波性能等参数。

四、研究意义本研究对于AlGaNGaN材料的HEMT器件和微波单片电路的研究具有重要的理论和实践意义。

1.对HEMT器件和微波单片电路的性能进行深入分析和研究，能够提高其应用的稳定性和可靠性。

2.通过对AlGaNGaN材料的研究，进一步掌握该材料的性质和特点，并探索其在不同应用场景下的优势和局限性。

3.研究结果可为相关行业提供技术支持和应用指导，提高高频电子器件制造及微波微系统技术的水平和发展速度。

五、预期成果1.了解AlGaNGaN材料的重要性和应用领域。

高迁移率金属氧化物半导体薄膜晶体管的研究进展

第 39 卷第 4 期2024 年 4 月Vol.39 No.4Apr. 2024液晶与显示Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays高迁移率金属氧化物半导体薄膜晶体管的研究进展李强，葛春桥*，陈露，钟威平，梁齐莹，柳春锡，丁金铎（中山智隆新材料科技有限公司，广东中山 528459）摘要：基于金属氧化物半导体（MOS）的薄膜晶体管（TFT）由于较高的场效应迁移率（μFE）、极低的关断漏电流和大面积电性均匀等特点，已成为助推平板显示或柔性显示产业发展的一项关键技术。

经过30余年的研究，非晶铟镓锌氧化物（a-IGZO）率先替代非晶硅（a-Si）在TFT中得到推广应用。

然而，为了同时满足显示产业对更高生产效益、更佳显示性能（如高分辨率、高刷新率等）和更低功耗等多元升级要求，需要迁移率更高的MOS TFTs技术。

本文从固体物理学的角度，系统综述了MOS TFTs通过多元MOS材料实现高迁移率特性的研究进展，并讨论了迁移率与器件稳定性之间的关系。

最后，总结展望了MOS TFTs的现状和发展趋势。

关键词：金属氧化物半导体；薄膜晶体管；场效应迁移率；偏压稳定性中图分类号：TN321+.5 文献标识码：A doi：10.37188/CJLCD.2024-0032Research progress of high mobility metal oxide semiconductorthin film transistorsLI Qiang，GE Chunqiao*，CHEN Lu，ZHONG Weiping，LIANG Qiying，LIU Chunxi，DING Jinduo （Zhongshan Zhilong New Material Technology Co. Ltd.， Zhongshan 528459， China）Abstract：Thin-film transistor （TFT）based on metal oxide semiconductor （MOS）has become a key technology to boost the development of the flat panel display or flexible display industry due to their high field-effect mobility （μFE）， extremely low cut-off leakage current and good large-area electrical uniformity. After more than 30 years of research，amorphous indium gallium zinc oxide （a-IGZO）is the first to be popularized in TFT by replacing the amorphous silicon （a-Si）. However， in order to simultaneously meet the multiple upgrade requirements of the display industry for higher productivity，better display performance （such as high resolution， high refresh rate，etc.） and lower power consumption， MOS TFTs technology with higher mobility is required.From the perspective of solid-state physics，this paper reviews the research progress of MOS TFTs to achieve high mobility characteristics through multi-component MOS materials， and discusses the relationship between mobility and device stability. Finally， the status quo and development trend of MOS TFTs are summarized and prospected.文章编号：1007-2780（2024）04-0447-19收稿日期：2024-01-23；修订日期：2024-02-14.基金项目：中山市科技计划（No.LJ2021006，No.CXTD2022005，No.2022A1009）Supported by Zhongshan Science and Technology Development Plan（No.LJ2021006，No.CXTD2022005，No.2022A1009）*通信联系人，E-mail：gechunqiao@zhilong.pro第 39 卷液晶与显示Key words： metal oxide semiconductor； thin-film transistor； field-effect mobility； bias stability1 引言在各类消费电子和工业设备显示中，薄膜晶体管（TFT）驱动背板是保障显示屏幕稳定运行的核心部件。

一种氮化镓基高电子迁移率晶体管[发明专利]

专利名称：一种氮化镓基高电子迁移率晶体管专利类型：发明专利
发明人：曲兆珠,赵子奇,朱超,张后程,姜涛,胡子阳申请号：CN201610191581.0
申请日：20160330
公开号：CN105870164A
公开日：
20160817
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及一种氮化镓基高电子迁移率晶体管，从下至上依次由衬底，GaN缓冲层，沟道层，势垒层，势垒层上的源极、漏极和栅极，栅极与漏极之间的电荷补偿层，电荷补偿层上的金属电极以及绝缘介质组成，其特征在于：所述的沟道层、势垒层和电荷补偿层均为GaN材料，沟道层和势垒层极化方向相反，势垒层和电荷补偿层极化方向相反。

沟道层和势垒层之间与势垒层和电荷补偿层之间由于极化电荷不平衡，产生了数量相同、类型相反的电荷，形成电荷自平衡的超结结构。

解决了采用AlGaN等材料作为势垒层引起的可靠性与输出功率低等问题，同时解决了已有超结GaN器件中的电荷不平衡问题，提升了器件性能。

申请人：宁波大学
地址：315211 浙江省宁波市江北区风华路818号
国籍：CN
代理机构：宁波诚源专利事务所有限公司
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图 3 不同量子阱宽度样品 Rxx的 FFT 谱
由此关系得出 f i 即为图 3 的横坐标. 进而结合 (1)
式可以计算出图中各子带的载流子浓度 ,求和即可
得到总的 2DEG 面密度 ,计算结果列于表 1. 同时 ,
FFT
谱峰电子浓度的半高宽与电子的量子迁移率
μ i
成反比[11 ] ,
μ i
=
3πΠΔni ,
图 2 各样品在 114 K下 Rxx的 SdH 振荡曲线
图 3 给出了各样品的 Rxx 对于 d2 RxxΠd B2 的 FFT 谱. 从图 3 中可以明显地看到 ,当量子阱宽度为 10 nm 时 , FFT 谱仅有一个峰值 f0 ,表明在量子阱中电 子确实只占据一个子带 ,即基态能级. 而当量子阱宽 度增加到 20 nm 以上时 , FFT 谱明显出现两个高峰 值的频率尖峰 f0 和 f1 ,说明量子阱中电子随着量子 阱宽度的增加已开始占据两个子带 ,即基态能级和 第一激发态能级. 这一变化表明 ,量子阱宽度直接影 响量子阱中电子的能级填充状态.
当 2DEG开始占据两个能级后 ,处在两个能级 上的电子数之比随量子阱宽度的变化关系由图 4 给 出. 当量子阱宽度为 20 nm 时 ,处在高迁移率的第一 激发态能级上的电子数与处在基态能级上的电子数 之比达到了最大值 ( n1Πn0 = 0124) . 说明此时有最大 比例的电子位于迁移率高的激发态能级 ,材料的迁 移率也最大. 此结果对于优化器件的设计有重要 意义.
对应用于 HEMT 材料的器件 ,所用材料具有高 迁移率是一个重要的参数. 由以上的分析可知 ,处于 第一激发态上的电子量子迁移率要远大于处在基态 能级上的电子迁移率 , 而阱宽对于占据这两个能 级上电子数又有着决定性的影响. 因而我们寻求 一个适当的 阱 宽 使 处 在 高 迁 移 率 的 第 一 激 发 态 上的电子数最多 ,以 达 到 提 高 材 料 迁 移 率 特 性 的 目的.
2145 2158 2145 2152 2155
μ0Π 103cm2·V - 1 s - 1
3155 3170 3193 3172 3159
μ1Π 103cm2·V - 1 s - 1
— 8124 8153 8165 8113
射对量子阱中电子传输起主导作用[14] . 量子阱中不 同能级的电子因为受到的电离杂质散射强度不同 , 使其迁移率不同. 首先 ,与基态电子波函数 Ψ0 ( z) 相比较 ,激发态电子的波函数 Ψ1 ( z) 更多地向空间 展宽 ,远离电离杂质层 ,受到的电离杂质散射作用较 小. 而基态电子波函数 Ψ0 ( z) 则被束缚在杂质层附 近 ,受到的电离杂质散射作用较大 ,因而激发态电子 迁移率要高于基态电子迁移率[15 ,16] . 另外 ,激发态电 子能级 E1 位置要高于基态电子的能级 E0 . 电子同 时占据两个子带时 ,激发态上电子的能量要大于基 态电子的能量 ,而减小了电离杂质的散射作用 ,也表 现为激发态电子迁移率高于基态电子迁移率[16] . 以 上两种原因是激发态载流子迁移率大于基态载流子 迁移率的主要机制.
高宏玲1) 李东临1) 周文政2) 商丽燕2) 王宝强1) 朱战平1) 曾一平1)
1) (中国科学院半导体研究所 ,北京 100083) 2) (中国科学院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室 ,上海 200083)
(2006 年 8 月 30 日收到 ;2007 年 1 月 25 日收到修改稿)
调节振荡形式. 当阱宽为 10 nm 时 ,呈现的是单一周 期的振荡图像 ;阱宽大于 20 nm 后 ,开始有多周期的 调制振荡现象. 此时 ,在由于单边掺杂所形成的量子 阱中至少有两个能级被电子占据. 为了得到每一个 子能级上具体的电子浓度以及迁移率信息 , 应用 FFT 分析了各样品 Rxx 的 SdH 振荡数据.
第 56 卷 第 8 期 2007 年 8 月 100023290Π2007Π56 (08)Π4955205
物 理 学 报
ACTA PHYSICA SINICA
Vol. 56 ,No. 8 ,August ,2007 ν 2007 Chin. Phys. Soc.
不同量子阱宽度的 InP 基 In0153 GaAsΠIn0152 AlAs 高电子 迁移率晶体管材料二维电子气的性能研究
图 1 Si δ掺杂 In0153 GaAsΠIn0152AlAs HEMT 样品结构示意图
将外延片切割成 5 mm ×5 mm 的正方形作为磁 性测量样品 ,样品四角焊铟电极 ,经氮气氛围340 ℃ 合金 ,形成良好的欧姆接触. 在 114 K 温度下 ,在 B = 0 —13 T 的磁场范围内采用范德堡法测量不同量 子阱宽度样品的纵向电阻 Rxx 和 Hall 电阻 Rxy ,测量 时磁场方向与样品表面垂直.
关键词 : 量子阱宽 , 二维电子气 , Shubnikov2de Haas 振荡 , 高电子迁移率晶体管 PACC : 7360L , 7215 G, 7280E
11 引 言
高电子迁移率晶体管 ( HEMT) 因其具有良好的 输运特性 , 广泛地应用于微电子领域并得到了大量 的研 究[1] . InP 基 InGaAsΠInAlAs HEMT 与 传 统 的 GaAs 基 Al GaAsΠGaAs HEMT 材料相比 ,具有更高的 电子迁移率和电子饱和速度以及更大的二维电子气 (2DEG) 面密度 ,而成为目前超高速器件的优先选 择. 特别是 InP 基的 In0153 GaAsΠIn0152AlAs HEMT 材料 , 由于 属 于 晶 格 匹 配 体 系 而 使 材 料 在 分 子 束 外 延 (MBE) 过程中可以生长出良好的晶体质量 ,具有优 良的性能 ,而被应用于毫米波低噪声功率放大器领 域[2 ,3] . 对于 HEMT 材料的器件研究 ,提高 2DEG 浓 度和迁移率是至关重要的. 2DEG 的浓度主要受异 质结材料导带偏移量ΔEc 和杂质掺杂浓度以及电 子转移效率的影响. 在材料一定的前提下 ,ΔEc 就确 定了 ,而过大的掺杂浓度必然导致平行电导的出现. 电子转移效率主要受势垒层及隔离层厚度影响并已 经得到了系统的研究[4] . 量子阱宽度对量子阱中电
FFT 谱频率 f i 与量子阱层中 2DGE 所占据各子 带的载流子浓度 ni 相对应 ,并满足以下关系式[10] :
ni = 2 ef iΠh ,
(1)
式中 e 是电子电量 , h 是 Planck 常量. 频率
f
= 1ΠΔ
1 B
,
8期
高宏玲等 :不同量子阱宽度的 InP 基 In0153 GaAsΠIn0152AlAs 高电子迁移率晶体管材料二维电子气的性能研究 4957
用 Shubnikov2de Haas(SdH) 振荡效应 ,研究了在 114 K下不同量子阱宽度 (10 —35 nm) 的 InP 基高电子迁移率晶 体管材料的二维电子气特性. 通过对纵向电阻 SdH 振荡的快速傅里叶变换分析 ,得到不同阱宽时量子阱中二维电 子气各子带电子浓度和量子迁移率. 研究发现 ,在 Si 掺杂浓度一定时 ,阱宽的改变对于量子阱中总的载流子浓度改 变不大 ,但是随着阱宽的增加 ,阱中的电子从占据一个子带到占据两个子带 ,且第二子带上的载流子迁移率远大于 第一子带迁移率. 当量子阱宽度为 20 nm 时 ,处在第二子能级上的电子数与处在第一子能级上的电子数之比达到 了最大值 0124. 此时有最多的电子位于迁移率高的第二子能级 ,材料的迁移率也最大. 此结果对于优化器件的设计 有重要意义.
31 结果及讨论
图 2 给出了各样品在 114 K 下 Rxx 的 SdH 振荡 曲线. 从图 2 可以看出 ,每个样品都在较低的磁场强 度下呈现了复杂的 SdH 振荡曲线 ,这说明我们所生 长的外延样品质量较好 ,具有较高的迁移率[8] . 随着 量子阱宽度的改变 ,SdH 振荡曲线形状出现了明显 的差异. 随着阱宽的增加 ,SdH 振荡逐渐呈现多周期
值得说明的是 ,在 FFT 变换后的图形中除去较 高峰位的主峰外 ,还有一些小的附属峰出现. 这些附 属峰对于载流子浓度并没有贡献 ,是由于较高的谐
波 nf i ( n = 2 ,3 ,4 , …) 或是由于磁致子带间散射引起 的共振所产生的频率 f = f i + f j ( i ≠j) [9] . 这里 f i 是 电子占据第 i 个子带的基频. 在 FFT 变换之前 , Rxx 曲线对磁感应强度 B 做了二阶微分 ,图 3 中对这些 信号进行了放大.
21 样品结构和实验
我们用 EPI GEN Ⅱ型 MBE 系统 ,采用高纯 In ,
E2mail : hlgao @red. semi . ac. cn
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Ga ,Al 和 Si 源 ,在半绝缘 Fe 掺杂的 InP 衬底 (100) 方 向外延生长如图 1 所示晶格匹配的 InP 基 HEMT 器 件材料 ,量子阱宽度 10 ,15 ,20 ,25 ,35 nm 分别对应 样品编号为 A ,B ,C ,D ,E 的 5 个样品. 在材料生长之 前 ,需要在 500 ℃,砷气压为 1133 ×105 Pa 时去除 InP 衬底表面的氧化层. 然后生长 350 nm In0152 AlAs 缓冲层 ,接着是厚度为 10 —35 nm 的 In0153 GaAs 沟道 层也就是量子阱层 ,对于不同的样品量子阱层的厚 度也各不相同. 经 4 型 δ 掺杂 , 其掺杂浓度为 5 ×1012 cm- 2 . 最 后生长 In0152AlAs 势 垒 层 和 In0153 GaAs 帽 层. 其 中 In0152 AlAs和 In0153 GaAs 的生长速度分别为 01350 和 01273 nmΠs. 在生长过程中 , InP 衬底以 10 rΠmin 的速 度水平旋转. 整个生长过程由反射高能电子衍射 (RHEED) 监控 ,以保证良好的二维生长.