برآورد زیرباند خودسازگار از پیوندهای ناهمگون منفرد AlGaN / GaN
19,500 تومانشناسه فایل: 7333
چکیده
ما در این مقاله یک روش عددی خودسازگار را برای محاسبه مشخصات باند هادی و ساختار زیرباند AlGaN / GaN ناهمگونی های منفرد ارائه می کنیم. محاسبات زیرباند اثر قطبش های پیزوالکتریک و خودانگیختگی و هارتری و اثر متقابل تبادل – همبستگی را در نظر می گیرد. ما وابستگی تمرکز صفحات الکترونی و انرژی های زیر باند را با پارامترهای ساختاری مختلف ، مانند عرض و کسر مولی Al AlGaN، چگالی ناخالصی اعطا کننده در AlGaN، و چگالی ناخالصی های پذیرنده GaN، و همچنین دمای الکترونی را محاسبه کردیم. تمرکز صفحات الکترون به طور حساسی بستگی به کسر مولی Al و عرض لایه AlGaN و تقویت چگالی ناخالصی های اعطا کننده در AlGaN داشت. نتایج محاسبه شده از غلظت الکترونی به عنوان تابعی از کسر مولی Al مطابق با برخی از داده های تجربی موجود در مقالات هستند.
مقدمه مقاله
پیشرفت های اخیر در تکنولوژی رشد نیمه رساناهای نیترید III- منجر به توسعه دستگاه های برقی AlGaN / GaN برای استفاده از تقویت کننده های فرکانس بالا به منظور ارتباطات همراه و ماهواره ای و برنامه های کاربردی دیگر، از قبیل دیسک و سنسورهای عمل در محیط های خشن شد. از آنجا که GaN دارای یک باندگپ بزرگ 3.4 ولتی [1]، سرعت بالای اشباع الکترونی حدود 107 × 3 سانتی متر / ثانیه[2]، میدان شکست بالایی در حدود 106 × 2 ولت بر سانتی متر [3]، و یک ضریب کوچکی از دی الکتریک 10 [4] است ناهمگونی ترانزیستورهای اثر میدانی (HFETs) AlGaN / GaN عملکرد بهتری با قدرت بالا و درجه حرارت بالای از دیگر دستگاه های معمولی بر اساس Si، GaAs و InP نشان می دهند.
همچنین HFET ها AlGaN / GaN ساخته شده در لایه های SiC مربوط به چگالی قدرت خروجی 9.1 وات بر میلیمتر در 8.2 گیگاهرتز [5] است، در حالی که HFET های AlGaN / GaN ساخته شده در لایه های یاقوت کبود چگالی قدرت خروجی از 8 وات بر میلیمتر در 9.5 گیگاهرتز [6] نشان داده اند.
یک HFET معمولی مبتنی بر شکل Ga AlGaN / GaN ناهمگونی منفرد، حتی بدون تقویت عمدی، توانایی رسیدن به یک تمرکز بالایی از صفحات الکترونی در حدود 1013×1 الکترون بر سانتی متر مربع [7] دارد. تجمع چگالی بالای دو بعدی گاز الکترون (DEG2) علت شکل گیری یک کوانتومی عمیق سنبله ای شکل خوب در ناهمگونی می شود، که در آن یک باند هادی بزرگ خنثی به عنوان یک گسست بزرگ در قطبش پیزوالکتریک و خود به خودی وجود دارد [7]. برای یک طراحی موفق از دستگاه های الکترونیکی پیشرفته بر اساس AlGaN / GaN ناهمگونی های منفرد، به تجزیه و تحلیل اثر قطبش و مشخص کردن وابستگی از ساختارهای زیرباند با استفاده از پارامترهای موجود ضروری پرداختیم. بسیاری از رفتارهای نظری ناهمگونی های بر اساس هامیلتونی موثر جرم در تابعی تقریبی [9] – [15[ نیمه رسانا شده اند. مطالعات قبلی [13] – [15] در برآورد ناهمگونی های منفرد زیرباند AlGaN / GaN قطبش پیزوالکتریک و خود به خودی و در تعامل هارتری از 2DEG محاسبه می کند. با این حال، اثر متقابل تبادل – همبستگی، که نشان دهنده اثر بسیاری از توده هاست، در مدل های قبلی برای ناهمگونی های منفرد AlGaN / GaN در نظر گرفته نمی شد. از آنجا که اثر متقابل تبادل – همبستگی منجر به یک اثر قابل توجهی بر روی مشخصات بالقوه و انرژی زیرباند سیستم های ناهمگون نیمه رسانا می شود و یک نرمال شدگی مجدد باند گپ بزرگ [11] را سبب می شود، لازم است اثر متقابل بسیاری از توده ها را برای برآورد دقیق ناهمگونی زیرباند AlGaN / GaN و با تمرکز بالای صفحات الکترون در حدود 1013 × 1 الکترون بر سانتی متر مربع محاسبه کند.
در مقاله حاضر، ما محاسبات عددی خود سازگاری را برای ساختار زیرباند یک Ga شکل از ناهمگونی های منفرد AlGaN / GaN را ارائه می کنیم. در محاسبات ما قطبش های پیزوالکتریک و خود به خودی و اثر متقابل بسیاری از توده ها از جمله هارتری و انرژی بالقوه تبادل – همبستگی را محاسبه کردیم. یک فرمالیزم اساسی از قطبش های پیزوالکتریک و خودانگیختگی در ناهمگونی های AlGaN / GaN در بخش دوم مورد بحث قرار گرفته است. یک روش عددی مبتنی بر جرم موثر تقریبی برای برآورد ناهمگونی های زیرباند AlGaN / GaN در بخش سوم توصیف شده است. ما تاثیر دمای الکترون و چندین پارامترهای ساختاری را در مورد چگالی و انرژی از DEG 2 در پتانسیل خوب در ناهمگونی بحث کردیم. در نهایت، خلاصه ای در بخش IV ارائه شده است.
ABSTRACT Self‐Consistent Subband Calculations of AlGaN/GaN Single Heterojunctions
We present a self‐consistent numerical method for calculating the conduction‐band profile and subband structure of AlGaN/GaN single heterojunctions. The subband calculations take into account the piezoelectric and spontaneous polarization effect and the Hartree and exchange‐correlation interaction. We calculate the dependence of electron sheet concentration and subband energies on various structural parameters, such as the width and Al mole fraction of AlGaN, the density of donor impurities in AlGaN, and the density of acceptor impurities in GaN, as well as the electron temperature. The electron sheet concentration was sensitively dependent on the Al mole fraction and width of the AlGaN layer and the doping density of donor impurities in the AlGaN. The calculated results of electron sheet concentration as a function of the Al mole fraction are in excellent agreement with some experimental data available in the literature.
Introduction
Recent advances in the growth technology of III-nitride semiconductors have led to the development of AlGaN/GaN electrical devices for applications of high power and high frequency amplifiers for mobile and satellite communications and for other applications , such as actuators and sensors operated in harsh environments. Since GaN has a large bandgap of 3.4 eV [1], a high electron saturation velocity of about 3 ´ 107 cm/s [2], a high breakdown field of about 2´ 106 V/cm [3], and a small dielectric coefficient of 10 [4], AlGaN/GaN heterostructure field-effect transistors (HFETs) have shown a better performance in high power and high temperature operations than other conventional devices based on Si, GaAs, and InP. AlGaN/GaN HFETs fabricated on SiC substrates revealed output-power density of 9.1 W/mm at 8.2 GHz [5], while AlGaN/GaN HFETs fabricated on sapphire substrates showed output-power density of 8 W/mm at 9.5 GHz [6].
A typical HFET based on the Ga-faced AlGaN/GaN single heterojunction, even without intentional doping, has an ability to achieve a high electron sheet concentration of about 1 ´ 1013 electrons/cm2 [7]. Accumulation of a high density two – dimensional electron gas (2DEG) is due to the formation of a deep spike-shaped quantum well at the heterojunction, where there is a large conduction-band offset as well as a large discontinuity in the piezoelectric and spontaneous polarization [8]. For a successful design of advanced electronic devices based on AlGaN/GaN single heterojunctions, it is necessary to analyze the polarization effect and to characterize the dependence of subband structures using available material parameters. Many theoretical treatments of semiconductor heterostructures have been based on effective -mass Hamiltonians in the envelope-function approximation [9]-[15]. Previous studies [13]-[15] on subband calculations of AlGaN/GaN single heterojunctions have taken into account the piezoelectric and spontaneous polarization and the Hartree in teraction of 2DEG. However, the exchange-correlation interaction, which represents the many-body effect, was not considered in earlier models for AlGaN/GaN single heterojunctions. Since the exchange-correlation interaction yields a considerable effect on the potential profile and subband energies of semiconductor heterostructure systems and leads to a large bandgap renormalization [11], it is necessary to take into account the many-body interaction for an accurate subband calculation of the AlGaN/GaN heterojunction with a high electron sheet concentration of about 1 × 1013 electrons/cm2.
In the present paper, we report self-consistent numerical calculations for the subband structure of a Ga-face AlGaN/GaN single heterojunction. In the calculations we take into account the piezoelectric and spontaneous polarization and the many-body interaction including the Hartree and exchange correlation potential energies. A basic formalism of the piezoelectric and spontaneous polarization in AlGaN/GaN heterojunctions is discussed in section II. A numerical method based on the effective mass approximation is described for subband calculations of AlGaN/GaN heterojunctions in section III. We discuss the influence of electron temperature and several structural parameters on the density and energies of 2DEG in the potential well at the heterojunction. Finally, a brief summary is given in section IV.
- مقاله درمورد برآورد زیرباند خودسازگار از پیوندهای ناهمگون منفرد AlGaN / GaN
- محاسبات عددی خود سازگاری برای ساختار زیرباند یک Ga شکل از ناهمگونی های منفرد AlGaN / GaN
- خودپنداره محاسبات Subband از AlGaN / GaN تنها Heterojunctions
- پروژه دانشجویی برآورد زیرباند خودسازگار از پیوندهای ناهمگون منفرد AlGaN / GaN
- محاسبات زیرباند خود سازگاری از AlGaN / GaN
- پایان نامه در مورد برآورد زیرباند خودسازگار از پیوندهای ناهمگون منفرد AlGaN / GaN
- تحقیق درباره برآورد زیرباند خودسازگار از پیوندهای ناهمگون منفرد AlGaN / GaN
- مقاله دانشجویی برآورد زیرباند خودسازگار از پیوندهای ناهمگون منفرد AlGaN / GaN
- برآورد زیرباند خودسازگار از پیوندهای ناهمگون منفرد AlGaN / GaN در قالب پايان‌نامه
- پروپوزال در مورد برآورد زیرباند خودسازگار از پیوندهای ناهمگون منفرد AlGaN / GaN
- گزارش سمینار در مورد برآورد زیرباند خودسازگار از پیوندهای ناهمگون منفرد AlGaN / GaN
- گزارش کارورزی درباره برآورد زیرباند خودسازگار از پیوندهای ناهمگون منفرد AlGaN / GaN