GaN基異質結中2DEG的散射機制

摘要：采用了雷丁平衡方程描述GaN/AlGaN中2DEG系統，總結GaN基異質結中2DEG的散射機制，主要的散射機制有電離雜質散射、壓電散射及合金無序散射等。分析了各散射機制對2DEG輸運的影響。

關鍵詞：GaN；2DEG；散射機制；異質結

1 緒論

近年來，GaN半導體材料以其寬禁帶、強擊穿電場、高電子遷移率等優越的物理特性，在電子器件領域得到了迅速的發展。GaN基器件更適合工作在高溫、高壓和高頻等復雜條件下。AlGaN/GaN 異質結界面由于極化效應形成了高密度、高遷移率的二維電子氣（2DEG）。2DEG的遷移率大于2000cm2/C，遠大于不摻雜的本征GaN材料的遷移率。而GaN/AlGaN/GaN 雙異質結由于量子阱的束縛作用，其2DEG的遷移率還要高。因此，GaN基的器件有良好的大功率和高頻特性，成為無線通信、電力電子等領域的核心器件。

本文用雷丁平衡方程來描述GaN/AlGaN異質結2DEG系統，總結其受到的散射機制，主要有雜質散射、聲學波形變散射、聲學波壓電散射、界面粗糙散射等。在低場下，2DEG遷移率受各種散射的影響。

2 AlGaN/GaN 異質結2DEG的平衡方程

AlGaN/GaN 異質結中，由于極化效應能夠在異質結中形成很強的內建電場，調制了異質結的能帶結構，是異質結界面GaN側的量子阱變得又深又窄，吸引自由電子積聚到勢阱中形成二維電子氣。因此，AlGaN/GaN 異質結中，即使未摻雜，也能夠形成密度達量級的二維電子氣。勢阱中的2DEG是量子化的，形成一系列的子帶。2DEG第n個子帶的電子波函數為：

（2.1）

其中和分別為二維波矢和位矢。

根據平衡方程理論，2DEG的運動可以被分離為質心的力學運動和相對電子的統計運動兩部分，用電子質心運動和相對電子溫度兩個參量來描述實際系統的狀態。在穩態下，描述2DEG系統的平衡方程為：

其中N為2DEG系統電子面密度，為外加電場，為摩擦阻力，由散射引起。

3 AlGaN/GaN 異質結2DEG的散射機制

根據Matheissen定則，2DEG與各散射機制遷移率之間的關系為：

在動量弛豫近似下，單個散射機制所限制的遷移率與其動量弛豫時間之間滿足以下關系：

其中，為電子質量。

在GaN/AlGaN異質結中通常要考慮的散射機制有雜質散射、聲學波形變散射、聲學波壓電散射、界面粗糙散射等。

3.1 電離雜質散射

在低溫低場的條件下，電離雜質散射起主要的作用。電離雜質散射是電子遭受到電離雜質的庫侖場的作用而發生狀態變化的一種彈性散射，散射前后載流子的能力不發生變化。當溫度升高時，電離雜質散射的作用就會減弱。

3.2 壓電散射

式中，為基點耦合系數，為GaN的靜態介電系數，是費米波矢。壓電散射的大小與2DEG濃度有著復雜的關系，當2DEG的濃度升高時，壓電散射會先降后升。

3.3 合金無序散射

式中，是合金材料晶體的初基原胞體積。是AlGaN勢壘層中Ga原子被Al原子取代造成的合金散射勢。

由于AlGaN合金中Al原子和Ga原子隨機分布，AlGaN的周期性勢場受到干擾，它對電子的散射作用稱為合金無序散射。在GaN基器件中，合金無序散射與AlGaN中的Al組分相關。當Al組分的含量較小時，隨著Al組分的增大，合金無序散射加強，當Al組分增加到一定程度（）時，隨著Al組分的繼續增加，異質結界面勢壘升高，合金無序散射減弱。

3.4 界面粗糙度散射

式中，是均方根粗糙度，是相關長度，用于衡量和定義界面粗糙的程度。

界面粗糙散射是由于異質結界面的不平整，對2DEG沿著界面方向的輸運造成的散射。由于2DEG的濃度越大，勢阱能帶彎曲也就越大，電子波函數將更靠近界面，對界面的粗糙程度更加敏感。故界面粗糙散射會隨著2DEG的濃度的升高而增大。

3.5 位錯散射

式中，為位錯面密度，為位錯在禁帶中引入的能態被占據的概率，。位錯散射是庫倫力散射，其遷移率隨2DEG的濃度的增加而增大。

3.6 極性光學聲子散射

式中，是極性光學聲子能量，為玻色愛因斯坦分布函數，，是一個無量綱的變量。極性光學聲子散射與2DEG的濃度有著指數下降的關系。

3.7 聲學形變勢散射式中，為聲學形變勢，為GaN的質量密度，為聲速。

聲學形變勢散射是由于縱聲學波引起晶體體積周期性膨脹和壓縮，從而導致帶邊周期移動而引起的散射。聲學形變散射隨著溫度的升高而增加。

4 結論

GaN基器件中2DEG遷移率的大小直接影響著器件的電學性能，所以很多研究者都在尋找提高2DEG遷移率的方法。本文總結了描述2DEG的平衡方程以及GaN基器件中2DEG所受到的主要的散射機制。并分析了各種散射機制隨著參數及環境的變化。在室溫下，極性光學聲子散射為主要的散射機制；而低溫和低2DEG下電離雜質散射和位錯散射起主要的作用；在低溫和高2DEG濃度下，聲學形變勢散射和界面粗糙度散射為主要散射機制。而AlGaN/GaN/AlGaN雙異質結器件中，由于背勢壘層AlGaN的作用，強化了電子氣的量子限制作用。大大降低了雜質散射和位錯散射，因此雙異質結器件中2DEG的遷移率要比單異質結器件中高很多，其電學性能及可靠性都有所提高。

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項目基金：黔科合LH字[2014]7181號

作者簡介：張子硯（1979），女，甘肅白銀人，碩士，講師，微電子學與固體電子學。