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N极性GaN/AlGaN异质结二维电子气模拟

王现彬 赵正平 冯志红

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N极性GaN/AlGaN异质结二维电子气模拟

王现彬, 赵正平, 冯志红

Simulation study of two-dimensional electron gas in N-polar GaN/AlGaN heterostructure

Wang Xian-Bin, Zhao Zheng-Ping, Feng Zhi-Hong
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  • 通过自洽求解薛定谔方程和泊松方程,较系统地研究了GaN沟道层、AlGaN背势垒层、Si掺杂和AlN 插入层对N极性GaN/AlGaN异质结中二维电子气(2DEG)的影响. 分析表明,GaN沟道层厚度、AlGaN背势垒层厚度及Al 组分变大都能一定程度上提高二维电子气面密度,AlGaN背势垒层的厚度和Al 组分变大也可提高二维电子气限阈性,且不同的Si掺杂形式对二维电子气的影响也有差异,而AlN插入层在提高器件二维电子气面密度、限阈性等方面表现都较为突出. 在模拟中GaN沟道层厚度小于5 nm 时无法形成二维电子气,超过20 nm后二维电子气面密度趋于饱和,而AlGaN背势垒厚度超过40 nm后二维电子气也有饱和趋势. 对均匀掺杂和delta 掺杂而言AlGaN 背势垒层Si掺杂浓度超过5×1019 cm-3后2DEG面密度开始饱和.而厚度为2 nm AlN 插入层的引入会使2DEG面密度从无AlN插入层时的0.93×1013 cm-2提高到1.17×1013 cm-2.
    By the self-consistent solution of the Schrödinger and poisson equations, the effects of GaN channel layer, AlGaN back barrier layer with and without Si doping and AlN interlayer on two-dimensional electron gas in N-polar GaN/AlGaN heterostructure are systematically studied. The results indicate that the increases of the thickness values of GaN channel layer and AlGaN back barrier layer and Al content value can improve the density of 2DEG to a certain degree, and the influences of different Si doping forms on 2DEG sheet density are not the same, also the confinement of 2DEG could be strengthened by increasing Al content value and thickness value of the AlGaN barrier layer. The AlN interlayer is a comparatively outstanding one in improving the performance of the 2DEG such as the 2DEG sheet density and confinement. When GaN channel layer thickness is less than 5 nm, there is no 2DEG in the simulation, when it exceeds 20 nm the 2DEG sheet density tends to be saturated. 2DEG has a tendency to be saturated when the thickness value of AlGaN back barrier is more than 40 nm. 2DEG sheet densities with uniform doping and delta doping in AlGaN back barrier are saturated when the doping concentration is more than 5×1019 cm-3. The 2DEG sheet density could be increased from 0.93×1013 cm-2 without AlN interlayer to 1.17×1013 cm-2 with 2 nm AlN interlayer.
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号:61306113)资助的课题.
    • Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 61306113).
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出版历程
  • 收稿日期:  2013-12-30
  • 修回日期:  2014-01-16
  • 刊出日期:  2014-04-05

N极性GaN/AlGaN异质结二维电子气模拟

  • 1. 河北工业大学信息工程学院, 天津 300130;
  • 2. 专用集成电路国家级重点实验室, 石家庄 050051
    基金项目: 国家自然科学基金(批准号:61306113)资助的课题.

摘要: 通过自洽求解薛定谔方程和泊松方程,较系统地研究了GaN沟道层、AlGaN背势垒层、Si掺杂和AlN 插入层对N极性GaN/AlGaN异质结中二维电子气(2DEG)的影响. 分析表明,GaN沟道层厚度、AlGaN背势垒层厚度及Al 组分变大都能一定程度上提高二维电子气面密度,AlGaN背势垒层的厚度和Al 组分变大也可提高二维电子气限阈性,且不同的Si掺杂形式对二维电子气的影响也有差异,而AlN插入层在提高器件二维电子气面密度、限阈性等方面表现都较为突出. 在模拟中GaN沟道层厚度小于5 nm 时无法形成二维电子气,超过20 nm后二维电子气面密度趋于饱和,而AlGaN背势垒厚度超过40 nm后二维电子气也有饱和趋势. 对均匀掺杂和delta 掺杂而言AlGaN 背势垒层Si掺杂浓度超过5×1019 cm-3后2DEG面密度开始饱和.而厚度为2 nm AlN 插入层的引入会使2DEG面密度从无AlN插入层时的0.93×1013 cm-2提高到1.17×1013 cm-2.

English Abstract

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