极化电荷诱导界面的二维电子气(2DEG)探究

基于Ⅲ族氮化物半导体的极化效应,当不同材料形成异质结时,会呈现某些特殊的性质。例如,Ga极性AlGaN/Ga N异质结,如图1.4.1所示,由于Al GaN在(0001)面内的晶格常数小于Ga N,当两者形成异质结时,AlGa N受到张应力,Al GaN层自发极化与压电极化方向相同,总极化强度为两者之和,由表面指向异质界面。对于较厚的GaN层,可忽略AlGaN层对它的应力,只考虑自发极化。在异质结界面处,由AlGa N层产生的极化正电荷大于由Ga N层产生的极化负电荷,使界面处留有净的正极化电荷+σ。为了实现电中性,这部分正电荷会在Ga N层靠近界面处诱导出高浓度电子,这部分电子被限制在很薄的势阱中,形成二维电子气[13,15]。这层极化诱导的2DEG并非来源于掺杂,即使没有进行故意掺杂,AlGaN/GaN异质结中2DEG面密度在室温下一般也能高达1013/cm2。正是由于高浓度2DEG的获得不需要通过掺杂实现,再加上高浓度电子对电离杂质散射有一定的屏蔽作用,2DEG几乎不受杂质散射,因此具有非常高的迁移率(室温下可达2000 cm2/Vs)。基于异质结2DEG特性的AlGaN/GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)在高功率电子器件和微波器件中具有重要应用。在颠倒的Ga极性GaN/AlGaN异质结结构中,界面处形成的是负的净极化电荷,不能形成2DEG,但在一定条件下可能形成二维空穴气(2DHG)。N极性异质结与Ga极性情况恰好相反。

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图1.4.1　Ga(Al)极性在AlGaN/GaN异质结中2DEG的形成机制