Ⅲ－Ⅴ族氮化物电子输运性质的蒙特卡罗模拟.doc

中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:123375
Ⅲ-Ⅴ族氮化物电子输运性质的蒙特卡罗模拟
马金龙,罗小兵*
华中科技大学能源与动力工程学院,武汉,430074
* 通讯作者,Tel:********** Email: ******@.
摘要:Ⅲ-Ⅴ族氮化物半导体比如氮化镓(GaN)、氮化铟(InN)和氮化铝(AlN),在电子器件和光电器件中得到广泛应用,在过去这些年,已经有许多关于它们电子输运性质的蒙特卡罗模拟,但是近年的研究发现,以前模拟中所采用的材料参数与最新的研究结果并不相符。本文在新的参数的基础上,用蒙特卡罗方法模拟了它们在0-600kV/cm电场范围内稳态电子漂移速度与电场的关系,计算得到它们的低场迁移率,并建立了高场迁移率与电场的关系式,在此基础上,进一步建立焦耳热与电场的关系。
关键字:Ⅲ-Ⅴ族氮化物;蒙特卡罗;漂移速度;迁移率
0 前言
Ⅲ-Ⅴ族氮化物半导体材料比如氮化镓(GaN)、氮化铟(InN)和氮化铝(AlN),在电子和光电器件中有着极大的应用潜力。它们的宽能隙、大击穿电场、高导热系数和良好的电子输运性能,使GaN、InN、AlN及其合金是制造新型高功率、高频率电子器件的理想材料。在光电领域,由于GaN、InN、AlN及其合金均为直接能隙半导体,很适合应用于光电器件。随着材料生长工艺的发展,在过去这些年中,它们越来越广泛地被应用于电子和光电器件中,比如现在发展迅速的发光二极管(LED)就是其在光电器件中的重要应用之一。
由于GaN、InN和AlN巨大的应用潜力,过去对其性能的研究已做了许多工作。M. A. Littlejohn 等人[1]很早就使用蒙特卡罗方法模拟了氮化镓电子漂移速度随电场的变化情况。Jan Kolnik等人[2]采用全能带蒙特卡罗方法模拟了闪锌矿和纤锌矿两种晶格结构氮化镓的电子输运特性,得到0-500kV/cm电场范围内氮化镓稳态时的漂移速度、平均能量、能谷占有率和能带占有率,发现纤锌矿结构的氮化镓发生谷间迁移的能量阈值和第二导带的占有率要高于闪锌矿结构的氮化镓。Brian E. Foutz 等人[3]用蒙特卡罗方法模拟了纤锌矿结构氮化镓、氮化铟和氮化铝电子瞬态输运过程,得到它们发生速度过冲时的电场值和最大漂移速度。Stephen K. O’Leary 等人[4]采用三能谷蒙特卡罗方法研究了氮化镓、氮化铝和氮化铟电子稳态和瞬态的输运特性。然而,在这些工作中所使用的一些参数与新的研究结果不相符。在以上的研究中,氮化铝的有效质量都采用V. W. L. Chin 等人[5]*,-*[6-8]之间。另外,氮化铟的能带参数也发生了很大变化。V. M.
Polyakov 等人[9]在新的InN能带参数条件下,采用三谷模型模拟了低场和高场电子输运性质,文中对于InN最低三个能谷的选择与Daniel Fritsch等人[10]的计算结果有差别。因此,本文在新的参数条件下,用蒙特卡罗方法计算了氮化镓,氮化铟和氮化铝的电子输运性质。
1 模型描述
本文模拟了300K件下GaN、InN和AlN的电子输运性质,对于电子的散射考虑了电离杂质散射、压电散射、声学形变势散射、极性光学声子散射和谷间散射。模拟时电子