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《内蒙古大学》 2017年
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三元混晶纤锌矿量子阱中电子带间跃迁及迁移率

谷卓  
【摘要】:纤锌矿AlGaN/GaN等多层异质结构是制作高电子迁移率晶体管及紫外光探测器等光电子器件的典型材料.它们具有宽禁带,高电子迁移率和热导率,且在耐击穿电场及抗辐射方面展示出优良特性,还可通过三元混晶(TMC)组分调制体系的能带、电子(空穴)态、声子模式以及输运性质等,以满足人们制作高温、高频、抗辐射和大功率器件需求,因而近年来受到半导体领域理论和实验研究者的关注.纤锌矿结构的各向异性以及强自发和压电极化效应致使异质结构在界面处局域高浓度的二维电子气(2DEG).AlGaN受组分调制的横光学(TO)声子呈现双模特性,使得由它合成的多层异质结构中光学声子模式存在特殊的混晶效应.本文以TMC纤锌矿量子阱为研究对象,自洽求解Schrodinger和Poisson方程获得电子(空穴)态.针对MgZnO/ZnO量子阱,基于费米黄金法则,讨论电子(空穴)的带间跃迁.针对AlGaN/GaN量子阱,采用介电连续模型和单轴晶体模型等,讨论各类光学声子势及电-声子相互作用,运用雷-丁力平衡方程,获得电子受光学声子散射的迁移率.主要研究内容和所得结果概括如下:(1)Mg_xZn_(1-x)O/ZnO/Mg_xZn_(1-x)O对称量子阱中电子带间跃迁的尺寸和TMC效应.结果显示,Mg_xZn_(1-x)O中Mg组分的增加使垒层和阱层的内建电场强度增大,电子(空穴)平均位置靠近左(右)侧界面,致使跃迁吸收峰指数减小且发生蓝移;给定组分和垒厚时,吸收峰随阱宽增大而减小,峰值位置呈现红移.(2)Mg_xZn_(1-x)O/ZnO/Mg_yZn_(1-y)O非对称量子阱中电子带间跃迁的尺寸和TMC效应.固定右垒组分y,阱中的内建电场随左垒中Mg组分的增大单调递增,而左(右)垒中的内建电场则发生方向转变,削弱了电子和空穴波函数重叠以及带间光吸收.此外,尺寸效应显示,电子带间吸收系数峰值随左垒组分或厚度的增大而减小,且呈现蓝移.峰值随阱宽的增加而迅速减小,但呈现微弱红移.(3)AlGaN中TO声子双模性对Al_xGa_(1-x)N/GaN/Al_xGa_(1-x)N量子阱中光学声子模的影响.提出权重、单模和介电函数拟合三种计及TO声子双模性之模型,并分别给出界面和局域声子的静电势分布.结果显示,通过引入二元化合物的杂质模频率修正无规元素等位移模型,得到的TMC纤锌矿AlGaN中单模纵光学声子和双模TO声子频率随混晶组分的变化关系与实验数据符合得较好.给定波矢时,由权重模型得到的四类声子静电势均高于其它模型的计算结果.(4)Al_xGa_(1-x)N/GaN/Al_xGa_(1-x)N量子阱中光学声子模对电子迁移率的影响.在温度为300K且给定2DEG面密度时,计算结果显示,权重模型得到的电子迁移率在8支声子模的共同作用下随Al组分增大先减小后缓慢增加.Al组分为0.58时,AlGaN/GaN/AlGaN(34A/40A/34A)量子阱中电子迁移率的理论结果为1263.0cm2/Vs,是实验值的1.44倍.此外,温度效应和尺寸效应结果显示,总电子迁移率随温度的升高逐渐减小,随阱宽的增加而逐渐增大.可见,TMC组分和量子阱尺寸可调制体系的内建电场强度、2DEG分布等物理性质,从而改进器件的性能.上述结论对于相关实验和器件的设计有指导作用.
【学位授予单位】:内蒙古大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:O471.1

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