book/GaN高温项目

要重点关注的内容：

• 恶劣条件：高温环境引起的应力、温度、位错（包括杂质的迁移），以及电磁波的影响（如果有的话）
• 解决这个问题的意义。
• 引发这个问题的机理。
• 解决这个问题的技术路线。
• 哪些可以计算：恶劣条件对材料能带的影响。

研究高温 GaN 器件的意义

2018 ieee 10.1109/ACCESS.2018.2885285

将机械系统（液压等）替换成电子器件，可以提高可靠性、容易维护、减少体积。

传统半导体超过125度之后就不能工作。 如果外加冷却和监控系统会增加系统复杂度，增加体积、重量，降低可靠性，这在一些关键领域（例如航空航天）是不可接受的。 例如，SOI、GaAs、SiGe 只能在 300 度以下工作，并且工作时长有限， 不能满足一些要求（涡轮引擎需要600度，航空航天、金星水星的探索需要500度，地热、汽车的应用也需要500度）。

SiC 和 GaN 具有较好的性质（宽禁带 (3eV)，高饱和漂移速率，高热导率，低本征载流子浓度，高击穿电场）。 GaN 等 III-N 比 SiC 好，包括：外延质量更高；晶圆大，同制程（line-width）更便宜；响应速率更高，工作温度更高。 同时还有一个细节上的优势，the temperature stability of electron concentration in the HEMT channel makes GaN devices more stable at high temperature.

带隙可调

高温下 GaN 器件性能下降的机理

2018 ieee 10.1109/ACCESS.2018.2885285

高温会导致本征载流子浓度增加，漏电流增加，肖特基结中的载流子发射漏电流增加。同时，大电流还意味着较大的电阻热（能量损失），以及器件温度的进一步升高。

挑战

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缺陷：

异质外延导致缺陷增加，影响器件性能。大功率器件由于更大的结面积和更大的电压，所以影响更大。工作于300到600度的 GaN 器件已经造出来了，但长期可靠性仍然未知。

和金属的接触：

肖特基/欧姆接触：由于缺少肖特基势垒较低的金属，GaN 的低电阻欧姆接触需要重掺。通常使用 n 型重掺，因为 p 型重掺不容易做。许多种金属（Ti/Al/Ni/Au/Pt）、各种温度（25-600度）的接触都被研究过，有时还会沉积一个介电层来降低漏电流，高温会使得介电层的深能级陷阱离化，导致击穿电压降低。

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GaN 声子计算前沿：

• 文章都是在解释热导率在高温下的变化等，没有进行到优化性能这一步。
• 他们算的东西，我们很可能都可以算。实验不一定。（有没有高分辨率 EELS？）
• 三篇文章（都是2024年）：
  • 河南大学，PRB，高温影响声子非线性效应（四声子作用为主），进一步影响热导率。（Bin Wei, Yongheng Li , Wang Li, Kai Wang, Qiyang Sun, Xiaolong Yang , Douglas L. Abernathy, Qilong Gao, Chen Li , Jiawang Hong, and Yuan-Hua Lin，High-order phonon anharmonicity and thermal conductivity in GaN，PHYSICAL REVIEW B 109, 155204 (2024) ）
    • VASP 计算结果用 MLIP 做机器学习生成势场，然后再用 lammps 在大尺寸上模拟。这个我们应该也可以做。
    • 理论性不强（没有太多公式推导），LO 模式可能有点问题（之后讨论）。
    • 有实验，理论与实验对照。
  • 北京大学，nature com.，研究 GaN 中一种层错（PSF）导致的振动模式，把模式分成了三类，每一类原子如何运动、对应哪个 EELS 峰。（Hailing Jiang, Tao Wang , Zhenyu Zhang, Fang Liu, Ruochen Shi , Bowen Sheng, Shanshan Sheng, Weikun Ge, Ping Wang, Bo Shen, Bo Sun, Peng Gao, Lucas Lindsay, Xinqiang Wang, Atomic-scale visualization of defect-induced localized vibrations in GaN, Nature Communications (2024)15:9052)
    • 计算用 QE。似乎不注重在计算，主要在实验。我们要算的话也可以。
  • 美国范德比尔特大学，PRB，超晶格的导热性会随着温度升高而降低，研究了各种组分/厚度的超晶格在不同温度下的热导率，以及引起热导率变化的声子模式。(B. Baer, D. G. Walker, and L. Lindsay, Phonon transport governed by intrinsic scattering in short-period AlN/GaN superlattices, PHYSICAL REVIEW B 109, 104310 (2024))
    • 计算方法比较新，DFT derived Peierls-Boltzmann transport，DFTPBT，有开源代码，我不确定我们能不能算（没有理由说“不能”）。

异质结附近会形成三角形的量子阱，同时电子可能会被trap到晶体中的杂质和界面附近，使得器件输出功率下降。 可以通过施加光照来解决（将电子从陷阱中激发出来）。 有几种影响这个过程的散射机制，包括 polar optic scattering, ionized impurity scattering, piezoelectric scattering and acoustic phonon scattering.