Impact van oppervlakte-donorfallen en aluminiumsamenstelling op 2DEG-dichtheid en oppervlaktepotentiaal in AlGaN/GaN HEMTs

Samenvatting

Oppervlaktevallen beïnvloeden de prestaties van AlGaN/GaN HEMTs diepgaand. Door de 2DEG-elektronenconcentratie te simuleren over een breed bereik van aluminiumfracties (5–50%) en oppervlakte-donorfalparameters (concentratie 10¹¹–10¹⁶ cm⁻², energie 0,2–1,4 eV), tonen we aan dat de 2DEG-dichtheid verzadigt op ongeveer 8% wanneer donorfallen van diep naar ondiep verschuiven. Tegelijkertijd bereikt de diepte van de kwantumput onder het Ferminiveau een plateau van ongeveer 2%. Deze resultaten, verkregen door uitgebreide TCAD-modellering, bieden een kwantitatief raamwerk voor het ontwerpen van HEMTs met geoptimaliseerde elektronen-transport en oppervlaktepotentiaalcontrole.

Inleiding

AlGaN/GaN heterostructuren zijn de hoeksteen van hoge-frequente en hoge-vermogens apparaten vanwege hun intrinsieke tweedimensionaal elektrongas (2DEG) gevormd aan de AlGaN–GaN interface. Dit 2DEG ontstaat door spontane en piezo-elektrische polarisatieladingen in de AlGaN-barrière, maar oppervlakte-donortoestanden – geïoniseerd op ~1,42 eV onder het geleidingsband – dragen additionele positieve vlaklading bij die essentieel is voor het stabiliseren van de driehoekige kwantumput. Eerdere studies hebben oppervlaktevallen isolatie bestudeerd, doch de gecombineerde invloed van valconcentratie, energie en aluminiummolfractie op 2DEG-vorming blijft onvoldoende onderzocht. Dit werk vult die leegte door deze parameters systematisch te variëren en hun effecten te analyseren op oppervlaktepotentiaal, elektrisch veldverdeling en 2DEG-karakteristieken.

Methodologie en Simulatie-opzet

Alle simulaties werden uitgevoerd met Synopsys Sentaurus TCAD L‑2016.12, gekalibreerd tegen experimentele data voor een 30 nm Al₀,₂₈Ga₀,₇₂N barrière op een 2 µm GaN buffer (Fig. 1). Het apparaat bevat een 1 µm Schottky-gate, 2,5 µm onbegate afstand en 150 µm breedte. Polarisatielading werd berekend met de gevestigde aluminiumfractie-afhankelijke expressie |σ(x)| = |2(a(0)−a(x))/a(x){e₃₁(x)−e₃₃C₁₃(x)/C₃₃(x)}+P_SP(x)−P_SP(0)| (Vgl. 1). Kwantumconfinement werd vastgelegd via het dichtheidsgradiëntmodel, met de Λ-correctieterm (Vgl. 2‑3). Oppervlakte-donortoestanden werden gemodelleerd als een positieve vlaklading σ_D aan het AlGaN-oppervlak. Alle simulaties liepen bij 300 K met een 2-dimensionele rooster om de volledige apparaatfysica vast te leggen.

Resultaten en Discussie

2DEG-dichtheid versus aluminiumfractie en oppervlaktevallen

Voor elke Al-fractie blijft de 2DEG-dichtheid vlak bij lage donorfconcentraties (Gebied 1). Naarmate de valconcentratie stijgt in Gebied 2, neemt de dichtheid lineair toe tot een drempelwaarde waar verdere valactivering de 2DEG niet meer wijzigt – dit weerspiegelt Fermi-niveau-pinning door volledig geïoniseerde donoren. Hogere aluminiuminhoud versterkt het interne polarisatieveld, wat de drempel naar hogere valconcentraties verschuift en het lineaire regime uitstrekt. Over alle Al-fracties levert de overgang van diepe (1,4 eV) naar ondiepe (0,2 eV) donorenergie een duidelijke toename in 2DEG-dichtheid op, maar dit effect verzadigt boven ~30% Al (Fig. 4). Bij 20% Al en hoger benadert de 2DEG-vlakdichtheid 1–3 × 10¹³ cm⁻².

Oppervlaktepotentiaal-modulatie

Het oppervlaktepotentiaal daalt lineair naarmate de donorenergie dieper wordt, waardoor de 2DEG-dichtheid stijgt. Voor donorfconcentraties > 10¹³ cm⁻² varieert het potentiaal evenredig met de donorenergie (Fig. 7a). Het verhogen van de Al-fractie van 5% naar 50% verhoogt de 2DEG-dichtheid van 7,8 × 10¹¹ cm⁻² naar 2,75 × 10¹³ cm⁻², terwijl het oppervlaktepotentiaal verschuift met ~0,1 eV (Fig. 7b). Deze trends bevestigen dat zowel valkarakteristieken als Al-inhoud gezamenlijk het oppervlaktepotentiaal bepalen.

Geleidingsbandprofiel en kwantumputdiepte

Aluminiumverrijking verhoogt de geleidingsbandoffset en polarisatielading, wat de bandhelling in de AlGaN-laag versterkt. Voor Al ≥ 20% buigt de geleidingsband voldoende onder het Ferminiveau om een robuuste driehoekige put te vormen, zelfs voor diepe donorvallen. De diepte van de put, gekwantificeerd door E_F − E, verzadigt na 20% Al, in lijn met het waargenomen plateau in 2DEG-dichtheid (Fig. 9‑11). Drain-bron stroomsimulaties bevestigen dit, met verwaarloosbare stroom voor Al ≤ 10% en significante geleiding boven 20% (Fig. 12‑13).

Conclusie

Onze uitgebreide TCAD-studie onthult dat de wisselwerking tussen oppervlakte-donorfallen en aluminiumsamenstelling de 2DEG-dichtheid, het oppervlaktepotentiaal en de kwantumputdiepte in AlGaN/GaN HEMTs cruciale vormgeeft. De 2DEG-dichtheid stabiliseert op ~8% en de putdiepte op ~2% boven 20% Al, terwijl 5% Al geen 2DEG ondersteunt voor diepe vallen. Deze inzichten bieden een stevige basis voor het ontwerpen van HEMTs op maat voor geoptimaliseerde elektronen-transporteigenschappen.

Gegevensbeschikbaarheid

Alle data die ten grondslag liggen aan deze resultaten zijn beschikbaar op verzoek.

Afkortingen

• GaN – Galliumnitride
• HEMT – High-electron-mobility transistor
• 2DEG – Twee-dimensionaal elektrongas
• DD – Drift- en diffusietransportmodel
• SRH – Shockley–Read–Hall recombinatiemodel