增强型ZnO/ZnMgO异质结高迁移率场效应晶体管研究

本课题将探索一种基于ZnO/ZnMgO异质结二维电子气特性（2DEG），可用于高温、大功率、抗辐照微波功率器件的增强型高电子迁移率场效应晶体管（HEMT）。研究在ZnO同质、半绝缘SiC单晶基底和外延极化GaN衬底上采用离子辅助激光分子束外延（RS-LMBE）生长高质量的极性可控的ZnO/ZnMgO异质结；研究其微结构、2DEG特性；优化不同缓冲层生长工艺；研究极化效应对其结构和电学性能的影响。实现ZnO单晶薄膜XRD半峰宽优于25弧秒，电子迁移率>300cm2/V.s ,方块电阻<300Ω/□。室温异质结2DEG密度大于10e13/cm2，迁移率>750cm2/V.s。采用的NH3等离子处理及快速退火的方法实现增强型ZnO基HEMT。研制出一种基于ZnO基异质结的增强型HEMT，跨导优于75mS/cm2。发表论文7篇，申报发明专利3项，为其进一步应用研究奠定基础。

主要研究了ZnO薄膜的RS-LMBE外延生长工艺、氧和锌极性面的微观机制和调控机理，实现了ZnO基异质结的极化调控；利用薛定谔方程、泊松方程、电荷平衡方程通过自洽计算，考虑了电子对多个子带的占据，并在费米-狄拉克统计引入表面态，研究了Zn极性ZnMgO/ZnO异质结的导带结构和电学性质，指出表面态更可能具有单一的能级，ZnMgO/ZnO 异质结中的2DEG 来源于ZnMgO (0001) 表面的施主类表面态；对于电子都限制在2DEG 沟道内的异质结，其输运特征可以用单纯的2DEG输运模型来解释；ZnMgO/ZnO异质结存在两个平行导电路径，一个导电路径为异质结界面处的2DEG 沟道，另一个导电路径为ZnO有源层；具有平行导电路径的异质结，对其电子输运特征应考虑两个导电路径的共同贡献。研究了ZnMgO/ZnO 异质结Bloch-Grüneisen (BG) 区域的电子迁移率对温度的依赖关系，同时研究了多体效应对电子迁移率的影响。理论研究表明在温度足够低时，电子输运进入BG 区域，声学声子限制的迁移率（μ）与温度（T）之间的依赖关系为μ∼T−a（对于形变势散射α=8.5，压电散射α=6.5），这一函数关系比传统的μ ∼ T−1更强。多体效应明显降低了电子迁移率，尤其对于低浓度的2DEG。结果显示在中低温度，带电杂质散射是最重要的外部散射机制，而200 K 以上的迁移率主要受到极性光学声子的限制；在势垒层厚度为20 nm的结构中获得高达1.1 × 1013 cm−2的载流子浓度。通过霍尔测试知道，从Zn0.95Mg0.05O/MgO/ZnO结构的异质结中，获得在10K和常温下的迁移率分别为3090 cm2/Vs和 332 cm2/Vs。该结果也高于传统的ZnMgO/ZnO异质结二维电子气的迁移率。肖特基接触的栅电极要比MOS结构的栅电极有更好的栅控特性，相应的晶体管也有更好的输出特性。发表被SCI引用的文章11篇，申报发明专利3项；培养博士2名，硕士5名；两名博士生和两名硕士生分别被派往日本进行合作研究；组织国际学术研讨会两次。

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