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二维电子气与HEMT器件
自从进入信息时代,人们对信息传输速度的追求脚步就从未停止。而材料科
学研究的飞速发展使人们已经能够制造出许多崭新的材料,使器件达到了前所未
有的水平,这就使得信息传输速度不断提升。随着半导体异质结的研究趋于成熟,
许多异质结的优良特性又一次提高了器件的水平。两种材料禁带宽度的不同以及
其他特性的不同使异质结具有一系列同质结所没有的特性,在器件设计上将得到
某些同质结不能实现的功能。异质结常具有两种半导体各自的PN结都不能达到
的优良的光电特性,使它适宜于制作超高速开关器件、太阳能电池以及半导体激
光器等。我们这里介绍的就是利用异质结的特性,制作出的超高速器件HEMT。
一、二维电子气的形成
有许多方法可以制造异质层结构,例如人们熟悉的MOS结构的制造技术。
近年来,二维限制系统主要研究对象是化合物半导体异质结构中的二维电子气
(TwoDimensionalGas,2DEG)系统。2DEG的大部分研究工作是以
GaAs/AlGaAs异质结构为基础的。在GaAs与AlGaAs的界面处形成薄的导电
2DEG层。为了了解这个导电层是怎么形成的,考虑沿z方向(导电层所在的平
面为x、y方向)的导带和价带的形状。两个能隙宽度不同的半导体材料刚开始
接触时,宽带隙材料的费米能级高于窄带隙材料的费米能级。结果电子从宽带隙
材料中溢出,使其仅剩下正电荷,即施主离子。这些空间电荷产生静电势,它将
引起界面能带弯曲。平衡以后不同材料的费米能级相等。电子的密度在界面处有
一个尖锐的峰(在那里电子的费米能级进入导带中),形成一个薄的导电层,通
112
常被称为二维电子气。在2DEG中,典型的电子浓度范围为2×10/cm~2×
122
10/cm。这种结构在实际技术上的重要性是可以制造场效应晶体管等高迁移率
电子器件,如HEMT器件。
图1异质结二维电子气的形成
上述异质结结构与硅MOSFET对比,相当于GaAs代替了Si。宽带隙AlGaAs
代替了热氧化生成的SiO。实际上,也有许多富有启发性的二维限制系统的研
2
究工作是基于硅MOSFET。
图2硅MOSFET中的二维电子气
二、GaAs-AlGaAs异质结二维电子气的性能
1978年首次报道了分子束外延(MBE)调制掺杂的GaAs-AlGaAs超晶格结
构中的迁移率增强行为。在超晶格机构中包含交替的GaAs和AlGaAs层,具有
较高能隙的AlGaAs中的电子转移到能隙较小的未掺杂的GaAs中来,因而电子
和母体施主杂质的电离中心分离了。由于GaAs的晶格常数和AlGaAs的晶格常
数很接近,晶格的失配很小,因而不会引起很多的界面态。在分子束外延的条件
下这一界面很陡很平整。
在低温下,异质结界面组分的突变,在界面处产生势阱,电子在势阱中和反
型层硅MOSFET界面中一样也形成了量子化的束缚次能带,在z方向的运动受
到束缚。势阱的深度和次能带的位置完全是由AlGaAs中掺杂浓度决定的。这就
形成了GaAs-AlGaAs中的二维电子气。
载流子在超晶格中的输运特性部分是和硅反型层中控制电子迁移率的相同
机构所控制的。重要的区别是因为构成超晶格的多数材料是极性的,它增强了声
子散射的作用。由于电子和它的体施主中心在空间的分离,使电子所受的库伦散
射大为减弱,因而使迁移率提高,如果在电子和离子之间加一层未掺杂的缓冲层,
则迁移率还可以进一步提高。异质结界面的电子迁移率明显地高于硅反型层的电
子迁移率。此外,GaAs中电子迁移率高的另一个原因是电子有效质量小。
三、二维电子气的应用
二维电子气研究领域中一些独特的物理特性可应用于新器件的研制,近年来
比较成功地是利用GaAs-AlGaAs异质结的迁移率增大特性改进场效应管性能,
因为提高场
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