PDF《AlGaN/GaN 异质结中二维电子气多子带解析建模》

CNKI:61-1076/TN.

20110427.1719.024

2011 年10 月 西安电子科技大学学报(自然科学版) Oct.2011 第38 卷第5期JOURNAL OF XIDIAN UNIVERSITY Vol.38 No.5 收稿日期:2010-08-27 网络出版时间: 基金项目: 国家自然科学基金重点基金(基金号:60976068,60936005);

教育部科技创新工程重大项目培育基金 (基金号:708083);

作者简介:刘红侠,女,教授,博导,E-mail:[email protected]. 网络出版地址: doi:10.3969/j.issn.1001-2400.2011.05.024 AlGaN/GaN 异质结中二维电子气多子带解析建模 刘红侠,卢风铭,王勇淮,宋大建,武毅 (西安电子科技大学 宽禁带半导体材料与器件教育部重点实验室 陕西 西安 710071) 摘要:为了能够方便精确地研究 AlxGa1-xN/GaN 异质结中二维电子气性质,提出一种多子带二维电子 气(2DEG)的解析模型.利用此模型能够求出 2DEG 能带、子能级、波函数和量子特性的解析解.通 过模型计算还可以得到2DEG 的分布变化、 面电子密度、 基带能级、 费米能级和势阱随Al 组分及AlGaN 层厚度的改变.与泊松-薛定谔自洽求解结果相比较,此模型能够给出精确的结论,并避免了泊松-薛定 谔自洽求解复杂的数值计算和耗时等缺点. 关键词:AlxGa1-xN/GaN 异质结;

二维电子气;

多子带模型;

能级分布 中图分类号:TN401 文献标识码:A 文章编号:1011-2400(2011)05-0176-07 Multiple sub-bands analytical model of 2DEG properties inAlxGa1-xN/GaN heterostructure LIU Hongxia, LU Fengming,WANGYonghuai, SONG Dajian,WUYi (School of Microelectronics, Xidian University, Key Laboratory ofWide Band-Gap Semiconductor Materialsand Devices, Xi'

an 710071, China) Abstract: To analyze a nitride heterostructure using a simple method, an analytic model is developed for AlGaN/GaN heterostructure to study two-dimensional electron gas (2DEG) properties. The model is analytical for the energy band, sub-band level and wave function of 2DEG. Comparison of the analytical results with the complex self-consistent results of Poisson-Schrodinger equation shows that the complicated numerical calculation and the disadvantage of time-consuming are avoided. We can obtain the variety of 2DEG distribution and sheet density and the shape of the potential well with Al content and thickness of AlGaN barrier layer using the analytic model . Keywords: AlGaN/GaN heterostructure, 2DEG (two-dimensional electron gas), multiple sub-bands model, distribution of energy level AlxGa1-xN/GaN 宽禁带半导体异质结构以其优越的物理和化学性质,成为研制高温、高频、大功率、辐 照电子器件最有潜力的半导体材料体系.AlxGa1-xN/GaN 异质结构材料生长和相关器件研制已成为当今国 际研究热点领域,具有极为重要的科学意义和应用价值.GaN 基材料的制备和器件应用领域已经取得很大 进展.例如,在蓝宝石衬底上制出 GaN 基PN 结蓝光发光二极管、GaN 材料的 MESFET,GaN 基材料激 光器[1] 、AIGaN/GaN 异质结构HEMT[2] ,GaN 基量子阱和超晶格等. 随着材料结构及相关器件应用的深入,需要以理论研究为基础对其进行结构或性能的优化.针对这种 材料及器件人们也进行了一些理论研究[3] ,但是传统意义上多采用自洽求解泊松-薛定谔方程法,这种方法 2011-4-27 17:19:01 http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1076.TN.20110427.1719.201105.176_024.html DOI : 第5期刘红侠等:AlGaN/GaN 异质结中二维电子气多子带解析建模 http://www.xdxb.net

177 虽然精确但是计算复杂、耗费时间.本文针对生长在蓝宝石(c-Al2O3)衬底上的Ga 面AlxGa1-xN/GaN 异质结 构,对其能带、二维电子气分立能级、波函数进行了多子带解析建模,避免了自洽求解泊松-薛定谔方程的 缺点.给出了不考虑弛豫影响的情况下,AlxGa1-xN/GaN 异质结构中二维电子气的分布和面密度、基态能 级、费米能级和势阱形状随Al 组分及AlGaN 层厚度的变化关系.