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论 文 摘 要
许多化合物半导体在进行施主掺杂时都会出现 DX 中心,由于 DX 中心对器
[1-10]
件的能带结构、输运性质都有着比较重要的影响,一直受到人们的普遍关注 。
其中,由于对高电子迁移率晶体管等物理器件性能的影响比较大,Si 掺杂的
[11-14]
Al Ga As合金中的DX中心一直是理论研究和实验研究关注的重点之一 。本
x 1-x
[15]
文基于极化子和双极化子的物理机制 ,采用无拟合参数的巨正则统计方法计
算了 Si 掺杂的 Al Ga As 的导带载流子浓度,计算得到理论结果从高温到低温
x 1-x
-
都同实验结果定量一致。计算证实了 AlGa As:Si 中的 DX 中心的基态 DX是电
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子-晶格相互作用产生的负电双极化子。Si施主在AlGa As中稳定存在的状态
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为:热平衡时,除了电离状态,处于不同晶格构型的单、双极化子态共存,低
温时双极化子态被冻结;光照下,双极化子态变成单极化子态同时向导带释放
一个电子,此过程伴随着进一步的晶格弛豫。理论结果与实验结果的对照表明
0
文献中经常提到的单电子局域的DX 态在热平衡时并不能稳定存在,这和我们提
出的双极化子机制是完全一致的。
根据提出的极化子模型可知,由于电子在双极化子、单极化子之间转移的
过程中会遇到排斥势垒,故低温(120K 以下)时电子没有足够的能量进行转移,
因此就出现了深能级上电子浓度的冻结效应。低温下深能级上的电子被冻结,
使施主的有效电离减少,进而影响到异质结的能带结构和量子势阱中的2DEG的
面密度;而当将HEMT的源极和漏极短路接地时,在栅极加不同的电压会使施主
产生不同的有效电离浓度,同时考虑到低温下深能级上电子浓度被冻结,可知
在不同的栅极电压下将 HEMT 降温到 4.2K 时,得到的栅极漏电流随栅极电压的
变化是不同的。根据DX中心的低温施主冻结效应可以解释诸如持续光电导(PPC)
效应等实验现象以及Laboratoire de Photonique et de Nanostructures CNRS
提供的实验。
关键词:高电子迁移率晶体管;异质结;极化子;DX中心;冻结
I
Abstract
Extensive experimental and theoretical work on the electronic
properties of group-IV and ?VI substitutional dopants in III-V ternary
semiconductors has been carried out. Especially, the DX centers in
Al Ga As:Si alloys grown by molecular-beam epitaxy MBE have received
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much attention because of their influence on the performance of high
electron mobility transistors HEMT. In this dissertation, The
free-carrier concentration in Si-doped AlxGa1-xAs has been calculated
by grand-canonical-ensemble statistics without any fitting parametersOur results are quantitatively in agreement with various experimental
data in the temperature range 77-300K, which indicates that the physics
picture of the ground state of DX center DX- is an electronic bipolaron
due to the interaction between excess electrons and lattice. At light
exposure, one bipolaron can turn into a polaron, meantime release one
electron to the conduction band accompanied by lattice relaxations. Our
calculations also prove DX0 being unstable at equilibrium conditions,
which
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