三五族异质结的自发极化、压电极化及2DEG
2022.5.21 修改,主要添加几张压电图片辅佐阐述。
2021.6.1 在谈到氮化物异质结基本原理时总是会提到这几个概念,看似理解又不是很清晰,最终还是忍不住去仔细探究一下。
本文主要通过给出定义,拆解定义的关键词最后理解定义的含义。
1. 自发极化
自发极化的定义是,纤锌矿结构的GaN中,Ga原子与其相邻的四个N原子形成的正负电荷中心不重合,产生内建电场。
该定义中,两个关键词:纤锌矿结构、正负电荷中心。
1.1 纤锌矿结构
三族氮化物GaN、AlN和InN具有稳定的纤锌矿和亚稳的闪锌矿两种结构,两者电学性质差异很大。闪锌矿结构不具备自发极化性质(此点稍后阐明),因此普遍采用纤锌矿结构。
纤锌矿结构中,一个原子与其最近四个原子形成的键长不同,沿[0001]方向的键长大于其余三个键长。
闪锌矿结构中,各化学键键长相同。下图左图为闪锌矿,右图为纤锌矿。1
1.2 正负电荷中心
闪锌矿结构中,各键键长均相同,可视为正四面体结构。假设中心原子为Ga原子,相邻四个N原子,相邻四个N原子形成的负电荷中心同Ga原子形成的正电荷相重合。如下图左。
而在纤锌矿结构中,N原子在[0001]向的键长较长,其形成的负电荷中心同正电荷中心不重合,如下图右。正负两极形成内建电场。
自发极化方向是负电荷指向正电荷。
在了解完纤锌矿结构和正负电荷中心后,回头看自发极化的定义,纤锌矿结构的GaN中,Ga原子与其相邻的四个N原子形成的正负电荷中心不重合,产生内建电场, 就一目了然了。
2. 压电极化
关于压电极化,我们通常看到定论,压电极化效应是由两种材料之间的晶格失配引起的。该定义中,关键字为晶格失配。
2.1 晶格常数
晶格失配是因为两种不同晶格常数材料导致,因此我们先介绍晶格常数。
晶格常数(lattice constant)指的就是晶胞的边长,也就是每一个平行六面体单元的边长,它是晶体结构的一个重要基本参数。2
对于AlGaN/GaN的晶格常数如下图所示:
2.2 晶格失配
晶格失配是因两种不同晶格常数的材料,比如衬底和外延,而产生的失配现象。但并非所有不同的晶格常数都会失配,存在一个临界值,在临界值以下仍能达到晶格匹配。下图a为不同晶格常数的晶体;下图b为两种不同晶格系数连结处的情况,图c为不同材料连接处出现缺陷,relaxed下无失配的情况。3
晶格失配会产生拉伸应力和压缩应力,也称张应力和压应力、正应力和负应力。
2.3 压电极化效应
自发极化是电荷中心不重合产生的内建电场,而压电极化就是由于外力(应力)使电荷中心偏移更大或更小。
下图左为自发极化下的电荷分布情况。下图中红色表示由于晶格失配产生应力导致其晶格发生变形,该变形引起电荷中心上移或下移。下图右浅蓝色表示应力前负电荷中心为之,深蓝色为受应力后为之。压电极化从应力后的负电荷指向应力前的方向。
若以AlGaN/GaN为例,上文则是描述下图 b) 的情况。
若是AlGaN衬底上长外延GaN,即Ga面c情况。GaN受到压缩应力,三个较短键长压缩,导致负电荷中心靠近正电荷中心,产生了与自发极化方向相反的压电极化,削弱了自发极化效应。
对N面的分析也是同理,在此不赘述。
经此分析,对压电极化有更深的理解,再回头看定义“压电极化效应是由两种材料之间的晶格失配引起的”便一目了然了。
总结
- 自发极化反应:纤锌矿结构中A原子与其相邻4个B原子的键长不同,导致正负电荷中心不重合形成自建电场。
- 压电极化反应:两种材料间的晶格失配导致外延拉伸或压缩,加剧或削弱正负电荷中心形成的电场。
2DEG
关于二维电子气的内容可以看这个视频。
https://www.bilibili.com/video/BV1wy4y1y7zr?from=search&seid=7775048118543422326
下图是笔者根据理解画的能带图。
最后,此文仍有很多不严谨和不正确的地方,欢迎各位友好指正。
[1]纤锌矿结构AlN、GaN及ZnO自发极化的第一性原理研究 ↩︎
[2]百度百科:晶格常数 ↩︎
[3]压电极化效应 http://www.elecfans.com/news/1177819.html ↩︎
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