氮化镓及其异质结特性

1氮化镓及其异质结特性氮化镓的基本物理特性金属和GaN及AlGaN/GaN的肖特基接触2Si材料：大家对硅材料都已相当熟悉，由硅材料制造的各种电器产品在我们的日常生活中几乎无处不在。硅材料本身存在着一些缺点：1.带隙窄，只能在较低的温度下使用。2.硅是一个间接带隙的半导体，即电子从导带跃迁到价带时不发射光子，能量的改变而是以热的形式释放到晶格中，因而在光电应用中受到了很大的限制。3GaAs材料：•被认为是继硅、锗之后的第二代半导体材料，是目前应用最广的Ⅲ—Ⅴ族化合物。•有很高的电子迁移率，适于制造高频、高速电子器件。•是一个直接带隙的半导体材料，光电转换效率、发光效率较高，适合于制造光电器件。•带隙相对比较低，300K时仅为1.4eV，不适合制造用于高温以及波长较短的光电器件。4GaN材料不同于Si和GaAs，以GaN为代表的基于Ⅲ—V元素的氮化物及其合金，在很多方面克服了Si和GaAs的一些缺点，被认为是新一代半导体材料，有纤锌矿和闪锌矿两种晶体结构，一般情况下为纤锌矿结构。氮化镓是直接禁带半导体可以作为光电器件。氮化镓是宽禁带半导体材料，室温下约3.36ev，适合做高温，高功率器件。9.1节氮化镓的基本物理特性5GaN的生长：早期的GaN研究进展很慢，主要由以下因素：•一是在生长的GaN中存在很大的n型背景电子浓度。•二是很难得到p型材料，另外没有合适的与氮化物在热性能和晶格常数相匹配的衬底材料，难以得到高质量的GaN薄膜。•同时由于GaN的惰性和抗化学刻蚀的性能也直接妨碍了器件制备技术的发展。直到60年代GaAs材料制成了激光器，同为Ⅲ—Ⅴ族化合物的GaN又引起了人们的兴趣。20世纪90年代以来，由于缓冲层技术的采用和P型掺杂技术的突破，对GaN的研究热潮在全世界蓬勃发展起来，并且取得了辉煌的成绩。61、随着铝组分的增加啊AlGaN的禁带宽度也逐渐增加。2、光子的能量越大，AlGaN的吸收系越大。3、一个质量完美的直接禁带半导体来说，光子能量达到禁带宽度时吸收系数变化非常陡，所以选取吸收系数变化最大的地方为禁带宽度。AlGaN材料:是由氮化镓和氮化铝结合而成的固溶体。带隙在很宽的范围内调节，其直接带隙的范围可以连续跨过可见光的大部分区域直到紫外光区。7随着光子能量的增加，折射率会逐渐增加，当光子能量等于禁带宽度时，折射率会经历一个极大值。8总结了金属和半导体肖特基接触给出的势垒高度得到一些半导体材料互相相对的能带带阶值。三角型代表n型半导体，方型代表p型半导体能量的零点位置是指金属的费米能级。qVDqфnsECEFEVEnE0χVDECEVEFχ空穴E0角形所在处的能量相当于Au和n型半导体之间的势垒高度，而方形所在处的能量相当于Au和p型半导体之间的势垒高度．三角形和方形之间的能量相当于半导体的禁带宽度．从这张图中可以查出不同半导体之间形成异质结时它们能带之间的相互位置．99.2金属和GaN及AlGaN／GaN的肖特基接触金属半导体接触理想情况下，金属和半导体接触形成的肖特基势垒，其势垒高度是由金属和半导体功函数差决定的。但实际情况中金属功函数对势垒高度的决定作用不是唯一的，还存在着影响势垒高度的其他因素。Wm(EF)mE0－－－－(EF)SECEVEnχWs－－qVDqфnsECEFEVEnE0χVD10镜像力对势垒高度的影响金属和GaN在接触之前各自的能带如图9.12(a)所示．它们的真空能级是相同的。当他们直接接触后，它们的费米能级必须对齐，对于一个理想的金属半导体接触，即在中间没有界面层和大量的界面能级的情况下，能带如图9.12(b)所示。q△ф是镜像力引起的势垒下降。11若电子距金属表面的距离为x，则它与感应正电荷之间的吸引力，相当于该电子与位于(–x)处的等量正电荷之间的吸引力，这个正电荷称为镜象电荷，静电引力称为镜像力。在金属–真空系统中，一个在金属外面的电子，要在金属表面感应出正电荷，同时电子要受到正电荷的吸引。+-镜象电荷电子–x´Ox镜象电荷1220220216)2(4xqxqf根据库伦定理：xxxqdxxqfdx0220216116xE）（距金属表面x处的电子的势能为：金属和半导体接触时，在镜像力和自建电场共同作用下。电子所具有的势能:）（）（xqVxq0216xE13半导体和金属接触时，在耗尽层中，选(EF)M为势能零点(EF)M0无镜象力有镜象力XM镜象势能xqфb0qфΔ镜像力对势垒的影响14势垒的降低量：镜象力所引起的势垒降低量随反向电压的增加而缓慢地增大当反向电压较高时，势垒的降低变得明显，镜象力的影响显得重要。04qE0E4qx15肖特基势垒的电流—电压关系式可描述为1-nkqexpIIs）（TV图9．13是Ni在n-GaN上的肖特基结的I-V特性·。由直线的斜率可以求出理想因子n。从它和纵坐标的交点可以求出lnIs。由公式利用里察逊常数的理论值和室温下的lnIs值可以求得势垒高度。TVkTqVTqbnkqlnIlnI3kexpT*AAIs2es电压关系—时电流当正向电压）—（16肖特基二极管的势垒高度还可以从电容—电压关系是求得)q/T(21)q/T(2C22sVkVqNACAVkVNqAWbisDeebiDse对于掺杂均匀的GaN样品，画出1／C2对V的曲线应为一条直线，如图9.15所示。从直线部分的斜率可以求得GaN的掺杂浓度ND。而从直线部分的延长线和电压轴的交点可以求得平带电压Vbi，势垒高度qфb则可从Vbi和ND用下式得到）（1NNlnkTqVqDCbib17金属/GaN肖特基势垒中电子的输运机制电子由半导体到金属的输运有多种机制。一个很重要的机制就是热电子发射：在导带中的电子只要有足够的热运动能量使它翻越势垒，它就对电流有贡献，这就是热电子发射机制。隧道机制：如果势垒足够薄，即使电子的能量在势垒高度以下，它也能以隧道的形式穿过势垒到达金属，这就是隧道机制。18非简并情况下当正向电压V3kT/q时的电流密度)-V(0msnb00b0df-1)T(fkT*A)kT)-VVq-expTkT*AJqd）（（（）（000000expexpq-expexpkTq-expT*A)exp()kTq-Texp*AEqVEqVEkTqVAkTqVAnbbebe（I=22热电子发射机制和隧道机制共同作用下的电流：参数E00由掺杂浓度决定的．掺杂浓度愈高，势垒区愈窄，隧穿效应愈大，而参数E00也愈大．100EkT19当E00《kT时跨越势垒的热电子发射机制是电流传输的主要机制)kTqVexp(I)kTqV)exp(kTq-Texp(*AAIsbe2如果是热电子发射电流是占主导，不同温度的lnI-V的曲线的斜率q／kT是和温度有关的。当E00》kT时穿越势垒的隧道发射机制是电流传输的主要机制)EqVexp(I)}kTqV)exp(EqV)exp(Eq-T{exp(*AAI00sn0000be2而如果是隧道电流占主导，不同温度的InI-V的曲线的斜率是一样的，曲线是互相平行的。20219.2.3金属和AlGaN/GaN结构的肖特基结金属在A1GaN／GaN异质结上的肖特基接触的电学特性和在体材料上大不相同，可以把他看成是两个背对背的肖特基二极管的串连。一个是金属和A1GaN之间的肖特基二极管，而另一个是在A1GaN/GaN异质结界面上的等效二极管，这时二维电子气的作用相当于金属．它的能带图如图9.20所示。22当正向电压小于两个二极管势垒高度的差时，大部分的外加电压降在金属／AlGaN接触上．在大的正向偏压下异质结界面上的二极管变为起主导作用，流过整个结构的电流可以分成两部分来分析．流过金属／AlGaN肖特基二极管的电流可以写成1)exp(II111kTnqVs1)exp(II222kTnqVs流过AlGaN/GaN异质结二极管的电流可写成23AlGaN/GaN异质结二极管的势垒高度较小，一旦加在这个二极管上的电压足够大，电流就会变很大，而串联电阻变成主导因素。sRIVVV21可以看出在小电压下电流随着电压呈指数增加，说明只有Ni/AlGaN二极管在起作用．所测到的logI-V曲线的斜率几乎不随温度变化，说明了隧道电流在起卞导作用．这是因为AIGaN层很薄。24图9．22也是Ni在AlGaN／GaN上的肖特基接触的伏安特性曲线，但不是画成对数坐标．在大电压下的I-V曲线是直线，说明串连电阻在起主要作用。它的串连电阻是随着温度降低而变小的。这一行为正好是由二维电子气的迁移率则随温度变化的特点引起的。图9．23是A1GaN／GaN结构的面电子密度和迁移率随温度变化。面电子密度在100k一300K的范围内大致和温度无关。而迁移率在温度从室温降到100K时是增加的，因而造成了串连电阻随温度的降低而变小。25谢谢！