文摘

的温度依赖性的能带图沃甘/氮化镓异质结构是通过理论计算和实验研究。通过求解薛定谔和泊松方程自我一贯地使用Silvaco地图软件,能带图不同温度进行了计算。结果表明,沃甘/氮化镓异质结构的传导带偏移量随着温度增加而减小的7 K到200 K,这意味着在沃甘/氮化镓量子井的深度界面变得浅和监禁的二维电子气减少。理论计算结果验证了温度的调查依赖光致发光沃甘/氮化镓异质结构。这项工作提供了重要的理论和实验依据的性能退化沃甘/氮化镓HEMT与增加温度。

1。介绍

沃甘/氮化镓高电子迁移率晶体管(HEMT)已经引起了极大的兴趣,高温、高频率和高功率应用材料由于其固有的优势,如宽的带隙、高击穿电场高电子饱和速度,和高的二维电子气浓度(2度)(1- - - - - -3]。虽然沃甘/氮化镓HEMT的性能取得了举世瞩目的进展(4- - - - - -7),可靠性,特别是在高温、一直在和仍然是一个主要的约束实现这类设备的真正潜力(8- - - - - -10]。改进的可靠性需要更好的理解退化机制。沃甘的性能退化/氮化镓HEMTs增加温度可以很大程度上归因于温度2度交通特性的影响(10- - - - - -12]。内在的物理原因是沃甘/氮化镓异质结构的能带图随温度,应充分调查。然而,很少有报告的温度依赖性的能带结构,沃甘/氮化镓异质结构直到现在。王等人。13)计算的能带图沃甘/氮化镓异质结构在室温下,250°C和500°C,就说明2度密度随着温度增加而减小。但是没有详细的分析和讨论。在这个工作中,对温度的依赖关系沃甘/氮化镓异质结构的能带结构进行理论计算和实验验证。

2。理论计算

沃甘/氮化镓异质结构用于这项研究由一个2μ甘米厚的缓冲层和一个25 nm厚沃甘阻挡层,如图1。艾尔沃甘的组成层是0.3。n型掺杂水平GaN和沃甘层设置为1×1016厘米−3,以保持一致水平无意中掺杂样品的实验。考虑到屏蔽效应引起的缺陷,极化电荷密度是假定为40%的计算值(14]。


图1
沃甘/氮化镓异质结构的示意图。

通过求解薛定谔和泊松方程自我一贯地使用Silvaco阿特拉斯软件(15),沃甘的温度依赖的能带图/氮化镓异质结构计算。计算结果与温度低于200 K图所示2。可以看出,氮化镓的传导和价带的能量随温度的上升和沃甘层增大,特别是在氮化镓层。与导带、价带不同温度显示更大的转变。所以,GaN和沃甘层的能量带隙随着温度降低。这是符合温度依赖的带隙收缩效应(16,17]。


图2
能带图沃甘/氮化镓异质结构在不同的温度。

除了能量带隙,沃甘/氮化镓异质结构的传导带偏移量也随温度变化。沃甘/氮化镓界面附近的传导带剖面不同温度如图3。可以看出,沃甘和氮化镓层之间的传导带偏移量随温度上升,这意味着在沃甘/氮化镓量子井的深度界面变得浅的监禁,在2度降低。此外,2度在无意中掺杂浓度沃甘/氮化镓异质结构显示了一个直接的比例关系到传导带偏移量,按照下列方程(13]: 在哪里 是polarization-induced束缚电荷, 沃甘的相对介电常数, 的厚度吗 阻挡层, 大门的肖特基势垒接触沃甘, 是费米能级对氮化镓conduction-band-edge能量,然后呢 传导带抵消在沃甘/氮化镓界面。所以,2度浓度随着温度增加而减小由于减少传导带偏移量 。相同的温度2度浓度的依赖已经被汗等测量。18]。因此,沃甘/氮化镓HEMT的性能将降低随着温度(19]。详细的温度依赖性的能量带隙和传导带抵消沃甘/氮化镓异质结构如图4。


图3
沃甘/氮化镓界面的传导带概要文件为不同的温度。

图4
依赖于温度的能量带隙沃甘GaN和沃甘/氮化镓异质结构的传导带偏移量。

3所示。实验验证

为了验证理论计算,我们研究了温度依赖光致发光(PL)沃甘/氮化镓异质结构,它可以直接反映出测量样品的能带结构。在这个工作中,PL进行了测量 /氮化镓异质结构7 K到200 K。光源是一个氦镉激光波长为325 nm。

图5显示了PL光谱沃甘/氮化镓异质结构在7 K。自由激子(FE)和捐助束缚激子(DBE)排放GaN位于3.498 eV和3.489 eV,分别比其他山峰要有力的多。这两个排放near-band-edge排放,可以直接反映相应材料的带隙。宽阔的山峰在3.408 eV和3.309 eV归因于一个和两个纵光学(LO)声子副本GaN FE发射,分别。疲软的峰值为3.448 eV是由于复合2度与光激的洞。由于强大的内置的内部电场沃甘/氮化镓异质结面附近,光激的洞迅速扩散到平带甘地区。因此,复合的概率在2度和低光激的洞及其强度很弱。


图5
PL光谱沃甘/氮化镓异质结构在7 K。

图6显示了沃甘的PL光谱/氮化镓异质结构在不同温度范围内的7 K到160 K。插图显示了PL光谱在200 K。从图可以看出6GaN FE和DBE排放表现出明显的红移随着温度增加,表明减少氮化镓层的带隙。这与理论计算的结果是一致的。2度PL峰的强度很弱,随着温度增加而减小。如图的插图所示6,这个峰值消失,当温度达到200 K。不同的氮化镓铁和普及山峰,2度PL峰随着温度显示不明显的转变。它表明,基态的能量分离2度,平带地区的价带在氮化镓层显然不会改变在不同温度范围内的7 K到200 K。此外,能量分离甘菲和2度PL峰逐渐随着温度增加而减小,这表明在沃甘/氮化镓量子井的深度界面变得浅。因此,接口的监禁量子阱在2度随着温度增加而减小。它也与理论计算结果一致。


图6
PL光谱,沃甘/氮化镓异质结构7 K到160 K的温度范围内。插图显示了沃甘的PL光谱/氮化镓异质结构在200 K。

4所示。结论

总之,温度依赖的能带图沃甘/氮化镓异质结构调查。通过理论计算和实验验证,证实,沃甘和氮化镓层的带隙和沃甘/氮化镓异质结构的传导带抵消减少随着温度的范围7 K到200 K。所以在沃甘/氮化镓量子井的深度界面变得浅的监禁,在2度降低。这项工作提供了重要的理论和实验依据的性能退化沃甘/氮化镓HEMT与增加温度。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金(号。61634002,61474060,61174007),中国国家重点研发项目(2017 yfb0402900),山东省自然科学基金(ZR2016FP09),山东省高等教育科学和技术的项目计划(J16LN04),江苏省的关键项目(BE2016174)、烟台关键研发项目(2017号。2017 zh063 zh064, 2016 zh053),山东工商大学博士启动基金(BS201608)和安徽省自然科学基金(1708085 mf149)。