1 太原理工大学新材料界面科学与工程教育部重点实验室, 太原 030024
2 山西浙大新材料与化工研究院, 太原 030000
3 陕西科技大学材料原子·分子科学研究所, 西安 710021
本文设计了纳米线核壳AlGaN/GaN异质结构, 研究了势垒层厚度、Al组分、掺杂浓度对平面和纳米线异质结构中二维电子气(2DEG)浓度的影响规律。结果表明, 随着势垒层厚度的逐渐增大, 两种结构中2DEG浓度增速逐渐减缓, 当达到40 nm后, 由于表面态电子完全发射, 2DEG浓度逐渐稳定不变。随着Al组分的增加, 极化效应逐渐增强, 使得两种结构在异质界面处的2DEG浓度都逐渐增加。当掺杂浓度逐渐提高时, 两者在异质界面处电势差增大, 势阱加深, 束缚电子能力加强, 最终导致2DEG浓度逐渐增加, 当掺杂浓度增加到2.0×1018 cm-3后, 2DEG面密度达到最大值。与平面结构相比, 纳米线结构可以实现更高的Al组分, 在高Al组分之下, 2DEG面密度最高可达5.13×1013 cm-2, 相比于平面结构有较大的提高。
纳米线结构 平面结构 二维电子气浓度 异质结构 能带结构 AlGaN/GaN AlGaN/GaN nanowire structure planar structure two-dimensional electron gas concentration heterostructure band structure
1 南京电子器件研究所, 南京 210016
2 微波毫米波单片集成和模块电路重点实验室, 南京 210016
3 中国电子科技集团有限公司碳基电子重点实验室, 南京 210016
针对高线性氮化镓微波功率器件研制需求, 设计并外延生长了复合势垒的Al0.26Ga0.74N/GaN/Al0.20Ga0.80N/GaN异质结构材料, 通过理论计算和电容-电压(C-V)测试表明复合势垒材料存在两层二维电子气沟道。生长的复合势垒材料二维电子气迁移率达到1 510 cm2·V-1·s-1, 面密度达到9.7×1012 cm-2。得益于双沟道效应, 基于复合势垒材料研制的器件跨导存在两个峰, 使得跨导明显展宽, 达到3.0 V, 是常规材料的1.5倍。复合势垒结构器件的跨导一阶导数与二阶导数具有更加优异的特性, 表明其具有更高的谐波抑制能力, 显示复合势垒AlGaN/GaN异质结构在高线性应用上的优势。
AlGaN/GaN异质结 复合势垒 金属有机物气相沉积 高线性 跨导 二维电子气 AlGaN/GaN heterojunction coupled barrier metal-organic chemical vapor deposition high linearity transconductance two-dimensional electron gas
Author Affiliations
Abstract
1 State Key Laboratory for Mesoscopic Physics & Department of Physics, Collaborative Innovation Center of Quantum Matter & Frontiers Science Center for Nano-optoelectronics, Beijing Academy of Quantum Information Sciences, Peking University, Beijing 100871, China
2 Department of Physics and Research Center OPTIMAS, University of Kaiserslautern, Kaiserslautern 67663, Germany
3 College of Physics Science & Technology, Hebei University, Baoding 071002, China
4 Collaborative Innovation Center of Extreme Optics, Shanxi University, Taiyuan 030006, China
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The two-dimensional electron gas (2DEG) generated at the LaAlO3/SrTiO3 interface has been in the focus of oxides research since its first discovery. Although oxygen vacancies play an important role in the generation of the insulator-to-metal transition of the SrTiO3 bare surface, their contribution at the LaAlO3/SrTiO3 interface remains unclear. In this work, we investigated a LaAlO3/SrTiO3 heterostructure with regional distribution of defect-based localized polar sites at the interface. Using static and time-resolved threshold photoemission electron microscopy, we prove that oxygen vacancies are induced near those polar sites, resulting in the increase of carrier density of the 2DEG states. In addition, oxygen-related surface states were uncovered, which we attributed to the release of lattice oxygen during the formation of oxygen vacancies. Such effects are mainly found spatially located around the defect sites at the buried interface, while other regions remain unaffected. Our results confirm that the itinerant electrons induced by oxygen vacancies can coexist with the charge transfer mechanism in the LaAlO3/SrTiO3 heterostructure, together leading to the formation of the metallic interface. These observations provide fundamental insights into the nature of LaAlO3/SrTiO3 interface based 2DEG and unique perspectives for potential applications.
two-dimensional electron gas photoemission electron microscopy strontium titanate defect states Opto-Electronic Science
2022, 1(7): 210011
1 华北水利水电大学 物理与电子学院, 郑州 450046
2 武汉大学 物理科学与技术学院, 武汉 430072
利用Silvaco TCAD器件模拟软件研究了AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)器件势垒层的厚度、沟道宽长比和掺杂浓度对器件的转移特性和跨导曲线的影响。结果表明, 器件势垒层厚度的变化可以调节器件的电流开关比和开启电压, 实现由耗尽型器件向增强型器件的转变; 沟道宽长比的改变可以调节器件的开启电压, 并且随着沟道宽长比的增加, 栅极电压控制量子阱中二维电子气的能力增强; 势垒层适量掺杂提高了输出电流, 并且使跨导的峰值增大, 但过度掺杂会造成器件不易关断情况出现。
二维电子气 结构设计 GaN GaN two dimensional electron gas HEMTs HEMTs structural design
随着射频/微波器件的快速发展及其应用领域的日益扩大，基于半导体单片集成技术的多种器件集成工艺不断发展。研究了一种采用AlGaAs--InGaAs的砷化镓化合物衬底。琥珀酸湿法蚀刻工艺对器件电性能影响较小。将耗尽型和增强型赝配高电子迁移率晶体管(pseudomorphic High--Electron--Mobility Transistor, pHEMT)器件集成于同一芯片半导体工艺技术。结果表明，增强型晶体管Y型栅极的线宽为0.25 m，开启电压为0.3 V；耗尽型晶体管栅极的线宽为0.5 m，开启电压为-0.8 V，实现了在同一芯片上集成从负到正的栅极电压分布，为设计者提供了更为宽广的设计平台。这种集成技术可以应用于低噪声放大器、线性天线开关、滤波器以及功率控制装置等领域。
增强型 耗尽型 低噪声放大器 单片微波集成电路 二维电子气 enhancement-mode depletion-mode pHEMT pHEMT low noise amplifier monolithic microwave integrated circuit two-dimensional electron gas
1 福州大学 平板显示技术国家地方联合工程实验室， 福建 福州 350118
2 福建工程学院 微电子技术研究中心， 福建 福州 350118
3 长春工程技术学院， 吉林 长春 130012
通过用喷墨打印制备的ZnO/IGZO异质结代替单层半导体沟道克服了氧化物缺陷导致的电子传输限制。ZnO/IGZO异质结晶体管表现出带状电子传输，迁移率比单层IGZO或ZnO TFT分别增大了约9倍和19倍，达到6.42 cm2/(V·s)。开关比分别增大了2个和4个数量级，达到1.8×108。性能的显著改善源自于IGZO和ZnO异质界面间由于导带的大偏移量而形成的二维电子气。
金属氧化物半导体 喷墨打印 异质结 二维电子气 metal oxide semiconductor inkjet printing heterojunction two-dimensional electron gas
1 河南质量工程职业学院, 河南 平顶山 467000
2 军械工程学院科研部, 河北 石家庄 050003
3 61699部队, 湖北 宜昌 443000
设计了一种基于场效应晶体管的量子点场效应单光子探测器(quantum dot field effect transistor, QDFET), 建立了二维电子气(two-dimensional electron gas, 2DEG )的薛定谔方程和泊松方程, 通过对薛定谔方程和泊松方程的自洽求解, 对2DEG的载流子浓度进行了模拟。模拟结果显示, AlGaAs的Al组分、δ掺杂层的掺杂浓度以及隔离层的厚度对于2DEG的载流子浓度均有影响。为了使2DEG具有较高的载流子浓度, AlGaAs的Al组分应为0.2~0.4, δ掺杂浓度应为6~8×1013/cm2, 隔离层厚度应在50nm以下。通过对2DEG的载流子浓度进行研究, 可以掌握2DEG载流子浓度的影响因素, 从而通过优化QDFET结构, 可提高2DEG的载流子浓度。这对于高灵敏度QDFET的制备具有重要的意义和应用价值。
单光子探测器 场效应晶体管 二维电子气 single photon detector field effect transistor two-dimensional electron gas
1 中国科学院 苏州纳米技术与纳米仿生研究所 中国科学院纳米器件与应用重点实验室，江苏 苏州 215123，
2 中国科学院 苏州纳米技术与纳米仿生研究所 中国科学院纳米器件与应用重点实验室，江苏 苏州 215123
3 中国科学院大学，北京 100049
4 中国科学技术大学 纳米技术与纳米仿生学院，江苏 苏州 215123
5 苏州科技大学 电子与信息工程学院，江苏 苏州 215009
固态等离激元太赫兹波器件正成为微波毫米波电子器件技术和半导体激光器技术向太赫兹波段发展和融合的重要方向之一。本综述介绍AlGaN/GaN异质结高浓度和高迁移率二维电子气中的等离激元调控、激发及其在太赫兹波探测器、调制器和光源中应用的近期研究进展。通过光栅和太赫兹天线实现自由空间太赫兹波与二维电子气等离激元的耦合，通过太赫兹法布里-珀罗谐振腔进一步调制太赫兹波模式，增强太赫兹波与等离激元的耦合强度。在光栅-谐振腔耦合的二维电子气中验证了场效应栅控的等离激元色散关系，实现了等离激元模式与太赫兹波腔模强耦合产生的等离极化激元模式，演示了太赫兹波的调制和发射。在太赫兹天线耦合二维电子气中实现了等离激元共振与非共振的太赫兹波探测，建立了太赫兹场效应混频探测的物理模型，指导了室温高灵敏度自混频探测器的设计与优化。研究表明，基于非共振等离激元激发可发展形成室温高速高灵敏度的太赫兹探测器及其焦平面阵列技术。然而，固态等离激元的高损耗特性仍是制约基于等离激元共振的高效太赫兹光源和调制器的主要瓶颈。未来的研究重点将围绕高品质因子等离激元谐振腔的构筑，包括固态等离激元物理、等离激元谐振腔边界的调控、新型室温高迁移率二维电子材料的运用和高品质太赫兹谐振腔与等离激元器件的集成等。
二维电子气 等离激元 太赫兹 氮化镓 two-dimensional electron gas plasmon terahertz gallium nitride
1 中国科学院物理研究所 北京凝聚态物理国家实验室, 北京100190
2 天津工业大学 电气工程与自动化学院, 天津300387
3 西南科技大学理学院 极端条件物质特性实验室, 四川 绵阳621010
系统研究了在调制掺杂AlGaAs/GaAs异质结中嵌入InAs量子点后对二维电子气输运特性的影响。使用分子束外延设备生长了量子点层与二维电子气沟道距离(Tch)不同的3个样品, 霍尔测试结果表明, 二维电子气的电子迁移率和载流子浓度都随Tch的减小而降低。基于几何相位分析算法对部分样品的高分辨透射电镜图像进行了处理, 得到了其应变分布图。结果表明, 应变主要分布在量子点的周围, 并延伸到了量子点的上方。该不均匀的应力场可能是除库伦散射外影响电子迁移率降低的另一个重要因素。
量子点 二维电子气 应力 分子束外延 quantum dots two-dimensional electron gas strain molecular beam epitaxy
1 北京工业大学电子信息与控制工程学院 光电子技术省部共建教育部重点实验室, 北京 100124
2 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所, 江苏 苏州 215123
采用金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)方法制备了不同AlN隔离层厚度的AlGaN/AlN/GaN结构的高电子迁移率晶体管(HEMT)材料。研究了AlN隔离层对HEMT材料电学特性的影响。AlN隔离层厚度约为1.5 nm的HEMT材料，二维电子气浓度和迁移率分别达到1.2×1013 cm-2和1680 cm2/Vs、方块电阻低至310 Ω，体现了HEMT材料良好的电学性能。原子力显微镜和高分辨X射线衍射测试结果显示HEMT材料具有较好的表面形貌和异质结界面，较好的异质结界面也有利于增强HEMT材料的二维电子气浓度和迁移率。
材料 高电子迁移率晶体管 电学性质 二维电子气 迁移率
