Влияние поверхностных донорских ловушек и алюминиевого состава на плотность 2DEG и поверхностный потенциал в AlGaN/GaN HEMT

Аннотация

Поверхностные ловуски глубоко влияют на производительность AlGaN/GaN HEMT. Моделируя концентрацию электронов 2DEG в широком диапазоне алюминиевых фракций (5–50%) и параметров поверхностных донорских ловушек (концентрация 10¹¹–10¹⁶ см⁻², энергия 0,2–1,4 эВ), мы демонстрируем, что плотность 2DEG насыщается примерно при 8% при переходе донорских ловушек от глубоких к поверхностным. Одновременно глубина квантовой ямы ниже уровня Ферми достигает плато около 2%. Эти результаты, полученные через всестороннее TCAD моделирование, предоставляют количественную основу для проектирования HEMT с оптимизированным электронным транспортом и контролем поверхностного потенциала.

Введение

Гетероструктуры AlGaN/GaN являются краеугольным камнем высокочастотных и высокомощных устройств благодаря их внутреннему двумерному электронному газу (2DEG), формирующемуся на интерфейсе AlGaN–GaN. Этот 2DEG возникает из спонтанных и пьезоэлектрических поляризационных зарядов в барьере AlGaN, но поверхностные донорские состояния — ионизированные примерно на 1,42 эВ ниже зоны проводимости — вносят дополнительный положительный поверхностный заряд, который необходим для стабилизации треугольной квантовой ямы. Предыдущие исследования изучали поверхностные ловуски изолированно, однако комбинированное влияние концентрации ловушек, энергии и мольной доли алюминия на формирование 2DEG остается недостаточно изученным. Эта работа заполняет этот пробел, систематически варьируя эти параметры и анализируя их влияние на поверхностный потенциал, распределение электрического поля и характеристики 2DEG.

Методология и настройка симуляции

Все симуляции выполнялись с Synopsys Sentaurus TCAD L‑2016.12, откалиброванным против экспериментальных данных для барьера 30 нм Al₀.₂₈Ga₀.₇₂N на 2 мкм GaN буфере (рис. 1). Устройство имеет 1 мкм Шотткий затвор, 2,5 мкм не затворенное расстояние и 150 мкм ширину. Поляризационный заряд рассчитывался с использованием установленного выражения, зависящего от Al-фракции |σ(x)| = |2(a(0)−a(x))/a(x){e₃₁(x)−e₃₃C₁₃(x)/C₃₃(x)}+P_SP(x)−P_SP(0)| (Ур. 1). Квантовое замыкание захватывалось через модель градиента плотности, вводящая корректирующий член Λ (Ур. 2‑3). Поверхностные донорские состояния моделировались как положительный поверхностный заряд σ_D на поверхности AlGaN. Все симуляции запускались при 300 К с 2-мерной сеткой для захвата полной физики устройства.

Результаты и обсуждение

Плотность 2DEG в зависимости от алюминиевой фракции и поверхностных ловушек

Для каждой Al-фракции плотность 2DEG остается плоской при низких донорских концентрациях (Область 1). По мере роста концентрации ловушек в Область 2 плотность увеличивается линейно до порога, где дальнейшая активация ловушек больше не изменяет 2DEG — это отражает закрепление уровня Ферми полностью ионизированными донорами. Более высокое содержание алюминия усиливает внутреннее поляризационное поле, смещая порог к более высоким концентрациям ловушек и расширяя линейный режим. По всем Al-фракциях переход от глубокой (1,4 эВ) к поверхностной (0,2 эВ) донорской энергии дает выраженный рост плотности 2DEG, но этот эффект насыщается за пределами ~30% Al (рис. 4). При 20% Al и выше площадь поверхностной плотности 2DEG приближается к 1–3 × 10¹³ см⁻².

Модуляция поверхностного потенциала

Поверхностный потенциал линейно уменьшается по мере углубления донорской энергии, тем самым повышая плотность 2DEG. Для донорских концентраций > 10¹³ см⁻² потенциал варьируется пропорционально донорской энергии (рис. 7a). Увеличение Al-фракции от 5% до 50% повышает плотность 2DEG от 7,8 × 10¹¹ см⁻² до 2,75 × 10¹³ см⁻², в то время как поверхностный потенциал смещается примерно на 0,1 эВ (рис. 7b). Эти тренды подтверждают, что как характеристики ловушек, так и содержание Al совместно диктуют поверхностный потенциал.

Профиль зоны проводимости и глубина квантовой ямы

Обогащение алюминием увеличивает смещение зоны проводимости и поляризационный заряд, крутя наклон зоны в слое AlGaN. Для Al ≥ 20% зона проводимости изгибается достаточно ниже уровня Ферми, чтобы сформировать надежную треугольную яму даже для глубоких донорских ловушек. Глубина ямы, квантифицированная E_F − E, насыщается после 20% Al, согласуясь с наблюдаемым плато в плотности 2DEG (рис. 9‑11). Симуляции стоково-истоточного тока подтверждают это, показывая пренебрежимо малый ток для Al ≤ 10% и значительную проводимость выше 20% (рис. 12‑13).

Заключение

Наше всестороннее TCAD исследование раскрывает, что взаимодействие между поверхностными донорскими ловушками и алюминиевым составом критически формирует плотность 2DEG, поверхностный потенциал и глубину квантовой ямы в AlGaN/GaN HEMT. Плотность 2DEG стабилизируется примерно при 8%, а глубина ямы — при 2% за пределами 20% Al, в то время как 5% Al не поддерживает 2DEG для глубоких ловушек. Эти инсайты предоставляют надежную основу для инженерии HEMT с адаптированными свойствами электронного транспорта.

Доступность данных

Все данные, лежащие в основе этих результатов, доступны по запросу.

Аббревиатуры

• GaN – Нитрид галлия
• HEMT – Транзистор с высокой подвижностью электронов
• 2DEG – Двумерный электронный газ
• DD – Модель переноса дрейф-диффузия
• SRH – Модель рекомбинации Шокли-Реда-Холла