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1、第53卷第7期2004年7月物 理 学 报Vol.53,No.7,July,2004100023290P2004P53(07)P2320205ACTAPHYSICASINICAn2004Chin.Phys.Soc.AlGaNPGaN异质结构中极化与势垒层掺杂对3二维电子气的影响•孔月婵 郑有 周春红 邓永桢 顾书林 沈 波 张 荣 韩 平 江若琏 施 毅(南京大学物理系,南京 210093)(2003年10月13日收到;2003年11月12日收到修改稿) 从Ⅲ族氮化物中压电极化对应变弛豫度的依赖关系出发,通过自洽求解薛定谔方程和泊松方程,分别研究了自发极
2、化、压电极化和AlGaN势垒层掺杂对AlxGa1-xNPGaN异质结构二维电子气的浓度、分布、面密度以及子带分布等性质的影响.结果表明:二维电子气性质强烈依赖于极化效应,不考虑AlGaN势垒层掺杂,当Al组分为013时,13-213-2由极化导致的二维电子气浓度达116×10cm,其中压电极化对二维电子气贡献为017×10cm,略小于自发极13-2化的贡献(019×10cm),但为同一数量级,因而通过控制AlGaN层应变而改变极化对于提高二维电子气浓度至1718-3关重要.AlGaN势垒层掺杂对二维电子气的影响较弱,当掺杂浓度从1×10增加到1×10cm时,
3、二维电子气面13-2密度增加012×10cm.关键词:AlxGa1-xNPGaN异质结构,二维电子气,自发极化,压电极化PACC:7280E,7340L,7320D能的重要因素.此外,AlGaN势垒层非故意掺杂也是[8]11引言二维电子气的重要来源之一.本文从引入AlGaN势垒层应变弛豫度R以区近年来,Ⅲ族氮化物AlGaNPGaN异质结场效应分自发极化和压电极化出发,通过自洽求解薛定谔[1—3]晶体管己成为当前研究的热点.AlGaNPGaN异方程和泊松方程,对AlxGa1-xNPGaN异质结构中二质结构具有很强的极化效应,这使其作为高浓度二维电子气性质进行研
4、究,讨论了二维电子气浓度、面13维电子气体系,即使在未掺杂时,也可获得高达10密度以及子带分布分别对压电极化、自发极化和-2[4,5]cm面密度的二维电子气,从而是发展微波频段AlGaN势垒层掺杂的依赖关系.这对于通过控制二高压、高功率器件的理想结构材料.其中二维电子气维电子气浓度从而提高器件性能有重要意义.浓度是影响器件性能的一个重要因素.如何提高二维电子气浓度是提高和优化器件电学性能的关键所21AlxGa1-xNPGaN异质结构模型与计算在,因而研究二维电子气与哪些因素有关显得尤为重要.极化效应是Ⅲ族氮化物的一个突出性质,由于AlGaNPGaN异质结构图
5、如图1所示.AlGaN势垒AlN和GaN较大的压电系数,以及二者间大晶格失层厚度为50nm,GaN层厚度为100nm,并假定完全弛配所导致的压电极化,以及材料本身具有的很强的豫.相对于二维电子气浓度,GaN层的背景载流子浓自发极化,在AlGaNPGaN异质结构中产生一个很强度很小,可忽略不计.的极化电场,成为感生高浓度二维电子气的主要原因之一[6,7].尽管如此,关于极化如何受势垒层应变AlxGa1-xNPGaN异质界面为理想突变界面,考弛豫度影响从而改变二维电子气性质还少有报道,虑极化效应,界面处边界条件为而实际上,应变弛豫是影响材料生长质量和器件性ε1E
6、1+P1=ε2E2,(1)3国家自然科学基金(批准号:60136020,60276031和60290080)、国家重点基础研究专项基金(批准号:G20000683)和国家高技术研究发展计划(批准号:2002AA305304)资助的课题.•通讯联系人.E2mail:dg0222086@ymail.nju.edu.cn7期孔月婵等:AlGaNPGaN异质结构中极化与势垒层掺杂对二维电子气的影响2321 应变弛豫度R对极化的影响如下:AlxGa1-xN势垒层自发极化PSP不随应变弛豫度变化,仅与Al组分x有关;由方程(2)可知,当Al组分一定时,压电极化仅与Al
7、GaN势垒层的应变弛豫度R有关,当R=0时,AlGaN为完全应变,压电极化
8、PPE
9、为最大值,此时二维电子气由自发极化和压电极化两部分贡献;当R=1时,AlGaN完全弛豫,压电极化PPE=0,二维电子气只由自发极化贡献.因而在计算中以应变弛豫度R区分自发极化与压电极化,以分别讨论二者对二维电子气的影响.基于以上模型,我们对薛定谔方程和泊松方程进行自洽求解.一维单电子薛定谔方程可写为23图1AlxGa1-xNPGaN异质结构示意图d2m2ψi(z)+2[Ei-V(z)]ψi(z)=0,(3)dzÜ3其中ε1和ε2,E1和E2分别为AlGaN和GaN层的m为电子
10、有效质量,Ü为普朗克常数,Ei和ψi分介电常数和界面
