基于蒙特卡洛方法的Ⅲ-V族氮化物半導(dǎo)體輸運(yùn)特性研究.pdf

1、近年來,隨著 III-V族氮化物半導(dǎo)體生長技術(shù)的進(jìn)步,基于 III-V族氮化物半導(dǎo)體的器件表現(xiàn)出越來越優(yōu)異的性能,并逐漸開始進(jìn)入應(yīng)用領(lǐng)域,相應(yīng)的輸運(yùn)研究也得到了廣泛的關(guān)注。為了能夠準(zhǔn)確的對 III-V族半導(dǎo)體器件進(jìn)行準(zhǔn)確建模和預(yù)測器件性能,需要對其輸運(yùn)特性進(jìn)行研究,建立適應(yīng)于 III-V族器件輸運(yùn)的關(guān)鍵參數(shù),如遷移率和擴(kuò)散系數(shù)模型。由于 III-V族氮化物半導(dǎo)體經(jīng)常工作在強(qiáng)場和高頻條件下,為了能夠準(zhǔn)確描述其輸運(yùn)特性,蒙特卡洛方法在 II

2、I-V族半導(dǎo)體輸運(yùn)研究總得到了比較多的應(yīng)用。本文對 III-V族氮化物半導(dǎo)體材料的輸運(yùn)特性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,所取得的主要研究成果為:
　　1.開發(fā)了基于蒙特卡洛方法的輸運(yùn)平臺,可以對 III-V族氮化物半導(dǎo)體輸運(yùn)特性進(jìn)行仿真。針對 III-V族氮化物半導(dǎo)體的散射特性,基于系綜蒙特卡洛方法,開發(fā)了可以對各種 III-V族氮化物半導(dǎo)體進(jìn)行瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)輸運(yùn)仿真的平臺。最后,通過將蒙特卡洛方法和泊松方程進(jìn)行耦合,建立了可以用于一維半導(dǎo)體器件

3、仿真的模擬器。
　　2.對 III-V族氮化物半導(dǎo)體的瞬態(tài)輸運(yùn)特性進(jìn)行了研究。基于蒙特卡洛輸運(yùn)平臺,對纖鋅礦 InN的瞬態(tài)輸運(yùn),能量和動(dòng)量弛豫過程進(jìn)行了深入的研究,結(jié)合弛豫研究,對穩(wěn)態(tài)輸運(yùn)中出現(xiàn)的負(fù)微分遷移率的物理機(jī)制進(jìn)行了系統(tǒng)闡述。針對InN電子結(jié)構(gòu)各向異性的特點(diǎn),對其各向異性輸運(yùn)特性進(jìn)行了研究。針對纖鋅礦和閃鋅礦 InN,對過去很少研究的速度下沖現(xiàn)象進(jìn)行了仿真,闡述了速度下沖產(chǎn)生的物理機(jī)制。最后對纖鋅礦 GaN中的速度上沖和下

4、沖現(xiàn)象進(jìn)行了仿真。
　　3.對 III-V族氮化物半導(dǎo)體的動(dòng)量和能量弛豫過程進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。目前在 III-V族氮化物的研究中,其弛豫過程還未見研究。為了滿足能量平衡方程對弛豫時(shí)間模型的要求,對纖鋅礦 GaN,InN和 AlN的動(dòng)量和能量弛豫過程進(jìn)行了研究,得到了動(dòng)量和能量弛豫時(shí)間隨電子溫度的變化,為建立相應(yīng)的模型建立了基礎(chǔ)。同時(shí),摻雜濃度對動(dòng)量和能量弛豫時(shí)間的影響進(jìn)行了研究,研究表明,建立準(zhǔn)確的解析模型除了溫度,還需要考慮摻雜

5、濃度的影響。
　　4.對 III-V族氮化物半導(dǎo)體的穩(wěn)態(tài)輸運(yùn)特性進(jìn)行了研究。針對目前在 III-V族氮化物半導(dǎo)體輸運(yùn)研究中缺少對擴(kuò)散系數(shù)研究的現(xiàn)狀,基于蒙特卡洛方法,時(shí)間相關(guān)函數(shù)和二次中心矩方法,對纖鋅礦 GaN和 InN的擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行了研究,明確了擴(kuò)散系數(shù)隨電場,溫度,摻雜濃度和頻率的變化關(guān)系?；跀U(kuò)散系數(shù)的研究和愛因斯坦關(guān)系,建立了纖鋅礦 InN各向異性遷移率解析模型,該模型可以直接用于器件仿真軟件,同時(shí)對纖鋅礦 InN高場輸

6、運(yùn)行為進(jìn)行了研究,該數(shù)據(jù)可以用于建立解析的高場遷移率模型。
　　5.對均勻摻雜耿氏二極管太赫茲源的輸運(yùn)特性進(jìn)行了研究?；诿商乜宸椒ê筒此煞匠?在太赫茲頻段,對均勻摻雜 GaN耿氏二極管,在直流和交流偏置下,對其輸運(yùn)行為進(jìn)行了研究,明確了產(chǎn)生耿氏振蕩的物理機(jī)理。研究表明,當(dāng)積累疇運(yùn)動(dòng)到陽極,并不一定導(dǎo)致電流的增加,器件內(nèi)部的平均速度比電子濃度對電流的影響更大。該研究表明,準(zhǔn)確的進(jìn)行基于耿氏二極管的太赫茲源研究需要采用蒙特卡洛方法