李书平[1]2001年在《平均键能物理内涵与肖特基势垒和异质结带阶的研究》文中研究说明金属—半导体接触在技术上十分重要，在半导体器件和集成电路中广泛地利用着各种不同性质的金属—半导体接触，因而器件与集成电路的质量和可靠性在很大程度上依赖于电路中金属—半导体接触的性质：半导体异质结的价带带阶ΔE_p和导带带阶ΔE_c决定着量子阱和超晶格的势阱深度及其基本特性，预言、调节或控制带阶的“能带剪裁”新技术是当今“能带工程”的重要组成部分。金属—半导体接触Schottky势垒和异质结带阶的实验和理论研究与“表面与界面”新兴学科的研究进展紧密相关，基于不同实验结果的不断发现，先后提出Schottky势垒和异质结带阶的不同理论模型。关于Schottky势垒或异质结带阶，已提出的理论模型和计算方法多种多样，尚未统一，各种不同理论模型的计算中采用的参考能级也不相同。在本课题研究中，我们研究了自由电子能带和金属能带中平均键能E_(IN)与费米能级E_F的内在联系，发现平均键能相当于费米能级；在半导体能带中，着重研究了平均键能E(IN)与半导体“固有费米能级”所具有的相同物理内涵，揭示了平均键能的物理实质，建立了一种同时适用于Schottky势垒和异质结带阶的理论计算方法，即“平均键能方法”；并结合有关形变势的研究，将“平均键能方法”推广应用于应变层异质结带阶的理论计算，同时根据平均键能方法的特点，提出应变层异质结带阶的简化计算方案。本论文由五章组成，第1章介绍涉及本课题的研究背景和理论基础，第2至5章研究内容与结果的提要如下。 第2章，研究自由电子能带模型中的平均键能与费米能级间的关系。对于Si、Ge、GaP、InP、AlAs、GaAs、InAs、A1Sb、GaSb和InSb等10种面心立方半导体晶体和六角结构的Ti、Zr、Hf与体心四方的Sn等4种金属晶体，将它们的价电子近似为自由电子。一方面根据自由电子填充的费米球半径计算它们的费米能级E_F；另一方面，计算这些晶体在平衡时以及流体静压力应变和单轴应变状态下的自由电子能带结构，由电子在能带中的“最高填充态”计算其费米能级E_F~(ID)。与此同时，根据自由电子能带本征值的计算结果，引用正文中式(1．2．11)计算它们的平均键能E_(IN)，着重研 论文摘 要究了Ec、E。’“与E＿叁者间的关系。数值计算中发现，不但晶体处于平衡时其平均键能 E＿值非常接近于费米能级 Er（或 E。““）值，而且在晶体发生流体静压力应变和单轴应变时，E。与EF随应变状态的变化规律也是相同的。研究结果表明，在自由电子能带模型中平均键能民相当于费米能级E。，我们建立的E。计算公式可以用来计算自由电子系统的费米能级E。。 第3章，研究金属能带中的平均键能与费米能级间的关系。对于六角结构（h。p）Ti、Zr和Hf以及体心四方（bio）p七n等4种不同的金属晶体，采用第一原理赝势法计算它们的能带结构，由价电于“最高填充态”确定其费米能级厂厂，并计算其平均键能厂。值，探讨Et与尸F的关系。研究结果表明，在上述4种金属能带中，不仅E。与厂；n在数值上非常接近，E。与厂P两者随能带计算中采用的平面波基函数的数目的变化趋势也相当接近，而且 E。与肛 k晶体的流体静压力应变和单轴应变的变化规律也是相同的。所以与自由电子能带中所发现的情况类似，金属能带中的E。也相当于费米能级 E尸，平均键能 E。的计算公式也可以用来计算这些金属晶体的费米能级。 第4章，研究半导体能带中平均键能的物理内涵及其在肖特基势垒和异质结带阶理论计算中的应用。在能带理论中，以布里渊区中整体的能带结构表征晶体的价电子态。对于出现禁带的半导体能带，4个价带填满价电子、所有导带是空态。我们把这种价电子状态的费米能级称为半导体“固有费米能级”，以区别于半导体物理中己经定义的“本征半导体费米能级”。研究中，我们先说明通常在能带计算中采用的由“最高填充态”确定费米能级的方法不适用于半导体，半导体物理中根据简化能带定义的“本征半导体费米能级”也不同于半导体“固有费米能级”；然后着重研究了平均键能E。的物理内涵。研究中发现：半导体的平均键能厂。随计算能带的哈密顿矩阵阶数Np的变化规律与金属的情况相同；E。和E。随单轴应变及流体静压力应变的变化规律也相当接近，两者的形变势a。与a／户ee）符号相同、数值接近。这些研究结果表明，半导体E。具有费米能级的一些重要的物理内涵；从计算方法考虑，在计算E。的公式中，各个物理量都与是否出现带隙没有直接联系。因此若它的计算值在自由电于能带和金属能带中都相当于费米能级，在半导体中也应该相当于“固有费米能级”。 －Vlll 论文 摘 要这是一个推论，我们将其应用于金属－半导体接触势垒高度和异质结带阶的实际计算中，获得了比较合理的计算结果，证实了推论的合理性。 第5章，探讨平均键能方法在应变层异质结带阶理论计算中的应用。如果半导体中平均键能相当
李水明[2]2016年在《大尺寸硅衬底GaN基HEMT外延生长研究》文中认为自1993年第一支GaN基电子器件发明以来,以AlGaN/GaN异质结为核心的高电子迁移率晶体管在近二十年内得到了快速发展。然而,目前GaN基电子器件成本高昂,市场空间较小,相比于GaN基LED器件,还远谈不上成功,而基于大尺寸硅衬底外延GaN基HEMT是降低器件成本扩大市场应用的重要途径之一。硅衬底成本低廉,大尺寸制备容易,热导率良好以及可与传统硅工艺相兼容,使其成为HEMT外延生长的首选衬底。但是GaN与Si(111)衬底之间巨大的晶格失配和热失配会导致GaN薄膜位错密度高、翘曲大以及容易龟裂,使得GaN电子器件制备困难,限制了GaN基HEMT器件的广泛应用。为了提高硅衬底上HEMT材料质量,使其满足高性能器件制备的要求,本论文主要围绕HEMT外延生长中缓冲层设计、应力控制层设计、翘曲控制、高阻层设计和AlGaN/GaN/Ga(Al)N源区设计等方面开展研究工作,取得的主要成果如下：对于A1N缓冲层外延生长,分别研究了硅衬底热处理时间、预铺TMA1时间、同温/双温生长以及A1N厚度对薄膜形貌和晶体质量的影响,发现衬底热处理最佳时长约为5 min,并且热处理过程中通入SiH4可以改善A1N表面形貌,最佳预铺铝时间为12-15s,单温生长更适合A1N薄膜生长,最优A1N缓冲层厚度为-250 nm,对应的薄膜(0002)面双晶摇摆曲线半高宽为1014"。对于应力控制层设计,提出了两层AlGaN应力控制层结构,通过预先引入压应力,成功实现了高质量无裂纹的GaN薄膜外延生长。基于TEM表征和Williamson-Hall测试方法,系统研究了外延层的马赛克结构演变过程,发现AlGaN应力控制层不仅过滤大量位错,而且引入的压应力使得部分位错转弯湮灭,最终才得以实现镜面光滑无裂纹低位错密度的GaN薄膜,5μm×5 μm区域RMS=0.31nm, (0002)面和(1012)面双晶摇摆曲线半高宽分别为305"和336"。对于翘曲控制,详细分析了硅上GaN外延生长过程中应变的演化机制,硅上A1N生长时受到轻微张应力(0.66 GPa),而AlGaN 1和AlGaN2由于晶格失配分别受到较大的压应力(-3.57 GPa和-2.41 GPa)。由于GaN生长初期存在3D转2D的过程,在此过程中,“裂纹转弯湮灭”会释放部分压应力,“晶粒合并”会引入一定张应力,最终降低了GaN薄膜所受的压应力(-0.75 GPa)。为降低GaN-on-Si翘曲高度,提出了两种有效降低外延片翘曲的方案：增加硅衬底厚度以及减薄AlGaN/AIN层厚度。对于高阻层设计,首先建立了MOCVD生长条件与碳浓度的量化函数关系,然后基于建立的生长条件与碳浓度的函数关系,对比了Ga(Al)N层中不同碳浓度(从-1016cm-3分布到1019 cm-3)、不同铝组分(0和7%)、不同厚度(从1.7μm到3.1 μm)和不同类型硅衬底(n型和p型)对HEMT器件击穿电压的影响。实验发现,采用p型硅衬底以及在Alo.07Gao.93N层中掺碳,可以获得更高的关态击穿电压,最终成功制备了击穿电压为1000 V @ 1μA/mm的器件。对于AlGaN/GaN/Ga(Al)N异质结设计,首先研究了AlGaN背势垒层和GaN沟道层对材料电学性能的影响,然后理论计算结合实验设计分析了AlGaN/GaN中GaN沟道层、A1N插入层、AlGaN势垒层和GaN帽层与HEMT电学性能的关系,提出采用Al0.07Ga0.93N背势垒层和较厚的GaN沟道层(150 nm),并通过降低沟道层中碳杂质浓度<1017cm-3、改善界面形貌、减少合金散射和提高势垒层质量,可以大幅度改善HEMT电学性能,最终实现了迁移率μ=2094 cm2/Vs,二维电子气密度ns=1.23×1013cm-2,方块电阻R□=243Ω的硅上GaN基HEMT材料外延生长。基于优化的硅上HEMT外延生长条件,分别在四英寸和六英寸硅衬底上外延生长了高质量AlGaN/GaN/Alo.o7Gao.93N HEMT外延结构,外延片镜面光滑无裂纹翘曲低,电学性能优异(迁移率大于2000 cm2/Vs,方块电阻低于280Ω)。基于生长的6英寸HEMT外延片,制作出有源区面积为1.7×2.8 mm2的GaN器件,输出电流达19 A,比导通电阻为11.9mΩ·cm2。
参考文献：
[1]. 平均键能物理内涵与肖特基势垒和异质结带阶的研究[D]. 李书平. 厦门大学. 2001
[2]. 大尺寸硅衬底GaN基HEMT外延生长研究[D]. 李水明. 华中科技大学. 2016
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