2015第7次课第五章半导体异质结中的二维电子气及调制掺杂器件选编.ppt

问题？ 二维电子气 HEMT 二维电子气系统的态密度 三角势阱的能级特点 量子极限 第五章半导体异质结中的二维电子气及调制掺杂器件 5.1 二维电子气简介 5.2 方形势阱中粒子的运动特性 5.3 异质结量子势阱中的二维电子气 一维和二维物理又称为低维物理。 物理上的研究价值和强烈的应用背景。 制作技术主要采用MBE和MOCVD。 1966 由Fowler等人首先提出。Si-MOS 反型层存在着磁阻振荡。在垂直于反型层的z方向电子是量子化的。 既Si-MOS 反型层是一个准二维电子气系统。 二维电子气是指在空间z方向电子被限制在一个薄层内的系统。 二维电子气散射几率比3-DEG的小得多，有效迁移率将较高。 5.1 二维电子气简介 5.1.1低维物理及其应用 基于低维半导体材料的量子器件的特性 低维半导体材料是一种人工设计、制造的新型半导体材料, 是新一代量子器件的基础。 ? 基于它的纳米电子学器件和电路具有超高速、超高频 ( 1000GHz )、高集成度 ( 1010元器件/cm2 ) 和高效、低功耗等特点。 ? 基于它的光电子器件，如量子点激光器等，则有 极低的阈值电流 ( 亚微安 ) 、极高的量子效率、极高的调制速度、极窄的线宽和高的特征温度等。 ? 这些特性在未来的纳米电子学、光电子学、光子学和新一代 VLSI 以及光电集成、光集成等方面有著极其重要的应用前景, 可能触发新的技术革命, 并将成为本世纪高新技术产业的重要支拄之一。 新的物理效应的出现 库仑阻塞，量子限域效应 量子相干、量子纠缠 ? 出路：要有概念上的突破：寻找新体系，运用新现象 （1）利用反型层获得二维电子气 5.1.2 几种获得二维电子气的方法 （2）利用异质结界面获得二维电子气。 - （3）利用超晶格结构获得二维电子气 1 量子力学中的量子阱 2 半导体器件中的量子阱结构 3 有效质量 5.1.3 二维电子气的应用 FET 原理 二维电子气迁移率（Electron Mobility）μ 迁移率： 在低电场下，电子的漂移速度正比于电场强度，比例系数即定义为迁移率，又叫漂移迁移率。随温度的增加，声学声子和电离杂质等散射作用增强，载流子受到的散射增强从而迁移率降低。此外，迁移率还随载流子的有效质量的增加而减少。 ?? 对GaN基HEMT结构材料来说，电子的迁移率越高，器件的工作速度越快，从而器件的截止频率高，器件便可以在较高的频率下工作。此外，高电子迁移率可以减少器件的膝点电压，从而使器件具有更高的效率。因而迁移率是电子材料的一项重要指标 HEMT是一种异质结场效应晶体管（HFET），又称为调制掺杂场效应晶体管（MODFET。这种器件及其集成电路都能够工作于超高频（毫米波）、超高速领域，原因就在于它采用了异质结及其中的具有很高迁移率的所谓二维电子气来工作的。 势阱中的电子即为高迁移率的二维电子气（2-DEG），因为电子在势阱中不遭受电离杂质散射，则迁移率很高。 这种2-DEG不仅迁移率很高，而且在极低温度下也不“冻结，有很好的低温性能, 可用于低温研究工作 (如分数量子Hall效应) 中。 异质结界面附近的另一层很薄的本征层（i-AlGaAs），是用于避免势阱中2-DEG受到n-AlGaAs中电离杂质中心的影响，以进一步提高迁移率。 High Mobility Due to Suppression of Ionized Impurity Scattering: Superior Low Temperature Performance: Use of Superior Materials in the Channel: High Sheet Charge Density: 5.2.1 方形沟道势阱中的粒子。 5.2 方形势阱中粒子运动的特性 宽带 窄带 宽带 无限深势阱 有限深势阱 势阱的构造 二维：量子阱 一维：量子线 零维：量子点 z方向：量子化， xy 平面：连续，总能量：连续 X、y平面内以m*自由运动 Z向处在一维势阱中具有量子化的束缚态 1电子的热激发。 2 载流子的复合。 3 二者达到平衡。 4 导电性依赖于温度 -------载流子浓度随温度的变化造成的。 5 要探求导电性随温度的规律。 载流子的统计分布 1 允许的量子态按能量如何分布。 2 电子在允许的量子态中如何分布。 半导体的基本性质敏感地依赖温度 5.2.2 二维电子气的状态密度 导带和价带中有很多能级： 相邻能级间隔：10-22eV E-E+dE 内有dZ个量子态 状态密度 球形等能面导带底状态密度(假设导带底在k=0处) 同理，可推得价带顶状态密度： 状态密度gC（E）和gV（E）与能量E有抛物线关系，还与有效