znmgo-zno异质结构中二维电子气电学性能研究

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1、ZnMgO/ZnO异质结构中二维电子气电学性能研究第1章引言随着无线通信技术的快速发展，微波晶体管在新科技创新领域有着广阔的应用前景，这样对半导体材料的性能要求也就越来越苛刻。特别是信号的发射与接收就需要能够工作在更高的频率和更高的输出功率的半导体器件，要求更加有利于器件模块的集成化，从而便于市场对尺寸越来越小的生产需求。为了达到更高的工作频率和更高的输出功率需求，就要求半导体材料制备的晶体管具有高击穿电压和高电子迁移速度等优良性能。禁带宽度较大的半导体材料，由于品质因子较高，使其非常适合在高频大功率器件上应用。这类材料不仅具备相似的高击穿电场和超高饱和电子迁

2、移速度性能外，还能与金属化合物材料形成异质结结构，可以用来制作高电子迁移率晶体管。制备出来的HEMT器件在异质结附近电子具有较高的迁移率、较高的载流子浓度，电子迁移率高则其沟道电阻相对越低，载流子浓度又影响了电流的密度。因此，禁带较宽的半导体材料非常适合在高频率和高功率的大功率器件领域上应用。1.1HEMT器件的研究现状和发展趋势HEMT英文代表HighElectronMobilityTransistor，是一种可以调制掺杂的异质结场效应晶体管。这种器件及其所构成的集成电路都能够工作于超高速度、高频率等相关领域，其主要原因在于异质结界面处具有超高迁移率的二维电

3、子气（2DEG）实现晶体管的需要。高电子迁移率晶体管具有低功耗、低噪声、超高速等一系列优秀特点，在信号处理、卫星通信、超高速计算机等领域有着巨大的运用潜能，因此HEMT器件的研究变的尤为重要。在新一代微波半导体材料器件中，HEMT器件不仅在增益、频率还是在效率等各方面都表现出其它器件无法媲美的优越性能。经过全世界研究者们多年共同的努力研究发现HEMT器件从毫米波到微波段的特性都取得很大的突破，成为天文、电子战、卫星通信等领域中低噪声功率放大器的核心器件。它同时在制作放大器、宽带行波、微波混频器中被广泛运用。........1.2GaN基HEMT器件的工作原理从

4、第一只大功率锗晶体管的诞生，研究者们一直对提高半导体器件的大功率性能和高频不懈努力着。广大使用者希望电子器件设备的可靠性更高、体积更小、重量更轻。研发的场效应管兼具以上一系列需求的优点，逐渐成为大功率器件的研究热点。为了进一步提高GaAsMESFET的输出功率和应用频率，人们遇到了两个相互矛盾的难题。为了提高工作频率，就要求器件内电子具有较高的迁移率，从而就要适当地减少在有源层内的掺杂浓度；但为了将输出功率提高，需要适当地提高半导体器件的工作电流密度，如果需要降低器件的输入阻抗和输出阻抗，有源层掺杂浓度就要提高。为了使频率/功率的问题协调统一，就必须改变现有场

5、效应管的结构，研究者开始尝试将电子的输运层与电子的提供层慢慢分开。使器件内的载流子与电离杂质在空间上完全隔开，分开的载流子被限制在很窄的量子势阱内作二维运动，导致母体电离杂质与载流子的相互散射作用大大减弱，从而电子的迁移率获得很大程度的提高。AlGaN和GaN可以在这两种半导体材料的界面处形成异质结，而具有这种异质结特点的GaN基HEMT在1991年问世了[13]。AlGaN/GaN基HEMT综合了宽禁带材料结构的一系列优点，使其在制备微波大功率电子电力器件领域具有非常广阔的前景。例如在移动通信的基站设备中，GaN基HEMT作为功率器件具有很大的优势。另外，G

6、aN基HEMT在雷达的功能强化上也有很大的市场。雷达关键技术是研发制备出具有高性能的T/R模块。AlGaN/GaNHEMT在结构上有着巨大的优势。在AlGaN/GaNHEMT器件模型内没有人为掺杂的异质结构，其结构中各层与层之间的应力作用完全于热膨胀失配和晶格失配。AlGaN帽层中自发极化产生的电场为3MV/cm，压电极化产生的电场为2MV/cm。在异质结界面处因两边产生的高极化电场，会在氮化物表面与异质结界面处产生出高浓度的极化电荷，这些极化电荷对AlGaN/GaN异质结的能带结构、二维电子气的空间限制、面电荷密度都有很大的加强作用。............

7、第2章Zn1-xMgxO/ZnO材料特性及工作机理2.1ZnO的结构和性能ZnO是具有较宽禁带的半导体化合物，在正常环境下禁带宽约为3.37eV，而且在一般情况下结晶态呈现相对稳定的六方纤锌矿型结构，锌原子和氧原子分别在彼此构成的四面体中。在整个纤锌矿型结构体系中，Zn与O组成原子，都沿一定的方向聚集组成的六方排列，其中各原子层都组成相应的晶面。如表2.1所示是ZnO的物理参数。ZnO无毒、无味，其密度为5.61g/cm3，分子量为81.389，系两性氧化物，不溶解于水和一般有机溶剂，但能溶解于酸、碱以等溶液。熔点约为1974°C，当环境温度上升至18

8、00°C左右时，易升华而不会分