AlGaNGaN异质结中极化效应的模拟.pdfVIP

422 中国科学G辑物理学力学天文学2004，34(4)：422--429 李娜+赵德刚 杨辉 (中国科学院半导体研究所，集成光电子国家重点实验室，北京100083) 摘要 提出了一种将极化效应引入GaN基异质结器件模拟中的方法．在传统器 件模拟软件中，通过在异质结界面插入万掺杂层，利用其离化的施主或受主充当 GaN单异质结，结果显示只有前者在异质结界面有载流子限制效应，而后者没 的厚度增加而增加．以上模拟结果与其他报道中的实验以及计算结果一致，说明 该方法可有效地将极化效应引入GaN基异质结器件的模拟中． 关键词 AIGaN／GaN异质结极化模拟 击穿电压大以及热导率高的优点，因而在大功率高温电子器件以及紫外光电器 的电场可以达到约MV／cm量级【l，2】，极化效应可使沟道区域的自由载流子面密度 高载流子浓度对于提高器件的P型【3吲以及n型【7，踟欧姆接触的性能也是有益的． 因此，对于GaN基异质结器件考虑极化效应是非常必要的．GaN基异质结中极化 模型一l来计算．对于传统的半导体器件模拟而言，通常采用的方法是在给定边界 条件下数值求解半导体器件方程【】01．能带结构、自由载流子以及电场分布均可通 过该方法获得．但是对于GaN基器件尤其是包含异质结构的器件，由于存在极化 效应，这种方法是很不准确的． 本文提出了一种可引入极化效应的模拟方法，该方法可用于传统模拟软件 2004．02．11收稿，2004．05—18收修改稿 +E．mail：lina@red．semiac．cn SCIENCEINCHINASer．G Physics．MechanicsAstronomy 第4期 李娜等：A1GaN／GaN异质结中极化效应的模拟423 中¨．具体而言，即在异质结界面处加入一层万掺杂层，将插入层设定为完全离 化，电离的施主或受主分别等效于极化产生的正负固定电荷．由于该插入层的厚 度只有0．3nm相对于整个器件结构而言很薄，其电离产生的自由载流子对整个 器件的影响可忽略不计．本文所模拟的结构是A1GaN／GaN单异质结，其中GaN 是完全弛豫的，即不考虑压电极化． 1模型及理论计算 极化效应，异质结界面处会产生固定的极化电荷，Ga面生长的结构界面的极化电 荷为正，N面生长的结构界面的极化电荷为负，如图1所示．图1中还示出了每层 中自发极化(sP)和压电极化(PE)的方向．在异质结界面插入一层万掺杂的GaN层， 将该层设定为完全电离，插入层为n型时，则离化的施主充当正固定电荷；插入 层为P型时，则离化的受主充当极化产生的负固定电荷，这样就将极化效应引入 器件结构的模拟中．层厚设定为3A，相对于整个异质结构很薄，其电离产生的自 由载流子会在整个结构中分布，因此对于背景载流子浓度的贡献可忽略不计．由 于该插入层具有一定厚度，因此需要将利用理论计算所得的极化电荷面密度 转换成插入层的掺杂浓度．根据Poisson方程，应保持插入层提供的固定电荷总 量等于极化产生的固定面电荷提供的电荷总量，即插入层掺杂浓度可通过下式 得到： f Ga面生长I l 欧姆接触 图1 Ga面和N面生长的异质结结构示意图 Materialsand Research ofPennState 1)模拟采用由Electronic ProcessingLaboratory University，USA提 供的靠eeware program“AMPS-1D” WWW．scichina．tom 中国科学G辑物理学力学天文学 第34卷 N=Q／v=Q／(s术L)=盯／L， (1) s，L分别是插入层的体积、面 其中Ⅳ