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纤锌矿氮化物量子阱中电子迁移率及应变和压力调制

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文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 纤锌矿氮化物高电子迁移率晶体管的研究进展

1.2 纤锌矿氮化物电子迁移率的研究现状和存在的问题

1.2.1 二维电子气的产生及分布

1.2.2 光学声子

1.2.3 电子迁移率

1.3 本文的主要研究内容和意义

第二章 理论模型和计算方法

2.1 电子本征态的自洽求解

2.2 光学声子

2.2.1 纤锌矿氮化物的体光学声子

2.2.2 纤锌矿氮化物量子阱的光学声子

2.2.3 纤锌矿氮化物多界面结构的界面和局域声子模

2.3 光学声子限制的电子迁移率

2.4 应变和压力对体系物理参数的调制

第三章 电子迁移率的尺寸效应

3.1 二维电子气分布的尺寸效应

3.2 电子迁移率的尺寸效应

3.2.1 无限垒宽情形

3.2.2 有限垒宽情形

3.3 小结

第四章 电子迁移率的流体静压力效应

4.1 流体静压力下AlN/GaN/AlN量子阱中电子的迁移率

4.2 小结

第五章 电子迁移率的三元混晶效应

5.1 含纤锌矿氮化物三元混晶量子阱的光学声子

5.1.1 InGaN体光学声子及含InGaN量子阱的光学声子

5.1.2 AlGaN体光学声子及含AlGaN量子阱的光学声子

5.2 含三元混晶纤锌矿氮化物量子阱中的电子迁移率

5.3 小结

第六章 电子迁移率的多界面效应

6.1 引入纳米凹槽InN的AlN/GaN/AlN量子阱的光学声子

6.2 引入纳米凹槽InGaN的AlN/GaN/AlN量子阱的光学声子

6.3 引入纳米凹槽InGaN的AlN/GaN/AlN量子阱中电子态

6.4 引入纳米凹槽InGaN的AlN/GaN/AlN量子阱中电子的迁移率

6.5 小结

第七章 全文总结

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表和完成的论文

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摘要

纤锌矿氮化物半导体具有禁带宽度大、临界场强高、热导率大、饱合漂移速度高、稳定性好等特点,是制作高频大功率器件的重要材料.目前,GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)的理论和实验研究是一个热点方向.纤锌矿氮化物量子阱是GaN-HEMT的基本结构,强自发和压电极化效应使体系在界面处产生高浓度的二维电子气(2DEG).2DEG的浓度和迁移率决定HEMT的电学特性.本文基于介电连续模型、单轴晶体模型和雷-丁平衡方程方法,讨论在光学声子起主要散射作用的温度区域,纤锌矿氮化物量子阱中的电子迁移率.主要研究内容和所得结果概括如下:
   (1)AlN/GaN/AlN量子阱中电子迁移率的尺寸效应.结果表明,在室温和常压下,在窄阱和宽阱时,界面光学声子散射对电子的迁移率起主导作用;在中间阱宽时,局域光学声子散射对电子的迁移率起主导作用.电子迁移率随阱宽的增加先从一小值减小至低谷,然后增加,最终在某一阱宽时达到饱合值.对给定阱宽,有限垒宽情形的电子迁移率大于无限垒宽情形.减小阱区的内建电场可增大电子迁移率.量子阱的尺寸会改变体系的内建电场强度及2DEG分布,尺寸的优化可提高电子迁移率,从而改进HEMT的性能.
   (2)AlN/GaN/AlN量子阱中电子迁移率的流体静压力效应.计算发现,随着流体静压力的增大,一方面材料的有效质量、高频介电常数、光学声子频率、体系的带阶和内建电场均增大;另一方面体系中声子数却减少.结果表明,电子迁移率随着流体静压力的增大而微弱增大.
   (3)AlxGa1-xN/GaN/AlxGa1-xN量子阱中光学声子模的三元混晶(TMC)效应以及对电子迁移率的影响.结果发现,由于声子色散的各向异性,量子阱中各类光学声子模随组分而变化,声子的局域模,界面模,半空间模以及传播模存在于特定组分和频率范围内,且同种声子模色散关系也随组分而改变.随着A1组分的增加,对称光学声子对电子的作用减弱,反对称光学声子对电子的作用则增强.电子迁移率随Al组分和温度的增加而减小,随电子面密度的增大而增大.
   (4)在AlN/GaN/AlN量子阱中引入InGaN凹槽层对电子迁移率的影响.结果显示,InGaN/GaN界面的引入和TMC效应使体系的声子模式发生改变.当In组分增加到使导带上InGaN/GaN界面处的能量低于AlN/GaN界面处的能量时,2DEG将由GaN阱转移至InGaN凹槽层.当电子主要分布在阱区时,随着In组分的增大,电子迁移率先增后减,但总是高于不含InGaN凹槽层之情形;当2DEG转移至InGaN凹槽层时,迁移率则突然降低,此后又随In组分的增大而逐渐增大.
   上述结论对于相关实验和HEMT的设计有指导作用.

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