Impacto dos estados da superfície e da fração da toupeira de alumínio no potencial da superfície e 2DEG em HEMTs AlGaN / GaN

Resumo

A presença de armadilhas de superfície é um fenômeno importante em AlGaN / GaN HEMT. As propriedades elétricas e físicas dessas armadilhas de superfície foram analisadas através do estudo da concentração de elétrons 2DEG juntamente com a variação da porcentagem de alumínio na camada de barreira do HEMT. Esta análise mostra que de doadores profundos para superficiais, a mudança percentual na densidade de elétrons em 2DEG fica saturada (perto de 8%) com a mudança na concentração de alumínio. A profundidade do potencial quântico bem abaixo do nível de Fermi também é analisada e fica saturada (perto de 2%) com a porcentagem de alumínio quando o doador de superfície declara que a energia muda para profundo de raso. A física por trás desse efeito coletivo também é analisada por meio do diagrama de banda. O efeito das armadilhas de doadores de superfície no potencial de superfície também foi discutido em detalhes. Esses estados de superfície são modelados como estados doadores. Doador profundo ( E _C - E _D =1,4 eV) para doador superficial ( E _C - E _D =0,2 eV) as armadilhas de superfície são exaustivamente estudadas para a concentração de doadores de 10 ¹¹ a 10 ¹⁶ cm ⁻² . Este estudo envolve uma variação da concentração de alumínio de 5 a 50%. Este artigo apresenta pela primeira vez o estudo TCAD abrangente do doador de superfície e a análise da concentração de elétrons no canal e a formação 2DEG na interface AlGaN-GaN.

Introdução

Aplicações de alta frequência e alta potência são as duas principais características do material GaN que têm sido estudadas nas últimas três décadas [1, 2]. Uma das principais vantagens da estrutura AlGaN / GaN é a formação de 2DEG no poço de potencial triangular na interface AlGaN-GaN mesmo sem dopagem intencional na camada de barreira [3, 4]. Está bem provado que a polarização espontânea e piezoelétrica existe na camada AlGaN da estrutura AlGaN / GaN [3]. Essa polarização resulta em duas folhas opostas de cargas na parte inferior e superior da camada de barreira AlGaN. Essas cargas de folha de polarização por si só não são suficientes para formar um poço de potencial triangular na interface AlGaN-GaN. Para resolver isso, Ibbetson et al . [5] sugeriu que deveria haver uma folha positiva de cargas que deve existir na superfície da camada AlGaN. Essas cargas positivas surgem devido à ionização dos estados doadores de superfície (1,42 eV da banda de condução com 1,35 × 10 ¹³ cm ⁻² ) na superfície [6].

Vetury et al . [7] investigaram o efeito desses estados de superfície usando sondas de potencial como porta flutuante. O efeito dos estados de superfície no desempenho DC e RF do AlGaN / GaN HEMT foi estudado [8, 9]. O comportamento da porta de Schottky em escala nanométrica discute a formação da porta virtual na região sem portas devido aos estados doadores de superfície [10]. Os estados doadores de superfície fixa são usados ​​para analisar o efeito de autoaquecimento no HEMT [11]. Longobardi et al . [12] realizaram a primeira simulação TCAD para estudar o efeito dos estados doadores de superfície nas características DC dos MISFETs AlGaN / GaN. Para ativar esses estados doadores de superfície na simulação TCAD, Bakeroot e outros introduziram um modelo diferente [13, 14]. As resistências de drenagem / fonte também dependem da polarização da porta devido à formação da porta virtual na região não fechada da superfície AlGaN. Pradeep et al . [15] desenvolveram o procedimento de extração de resistência e mobilidade com base nas características DC da região linear de AlGaN / GaN HEMT. Meneghesso et al . [16] discutiram o estado da superfície como uma armadilha que captura a camada de buraco altamente densa na superfície de AlGaN para compensar elétrons em 2DEG. As armadilhas doadoras de superfície disponíveis no topo da camada AlGaN alteram o comportamento elétrico do dispositivo quando essas armadilhas são ocupadas por elétrons com polarização de porta negativa [17]. A relação entre armadilhas de doadores de superfície e elétrons 2DEG também foi discutida através da simulação TCAD, adotando fenômenos de transporte dependentes do tempo [18]. Embora diferentes técnicas de caracterização tenham sido exploradas, Tapajna et al. [19] usaram o método de limite transiente para investigar as armadilhas do aceitador de interface, mas a caracterização das armadilhas doador de superfície ainda não foi explorada. Uma extensa abordagem de modelagem computacional para a armadilha de superfície como um doador também foi discutida [20]. Gucmann et al . [21] discutiram que se a densidade do doador de superfície for maior do que a concentração de carga de polarização, o elétron é transferido para a interface AlGaN-GaN para originar o 2DEG no canal.

A literatura discutida acima relatou tantos aspectos relevantes da heteroestrutura AlGaN / GaN, mas não leva em conta o efeito combinado do doador de superfície (Concentração + Energia) e a contribuição da concentração de alumínio na concentração de elétrons bidimensional. É evidente que a porcentagem de alumínio é o principal responsável pela carga de polarização na camada de barreira AlGaN [3].

Para fornecer uma compreensão física apropriada de tal efeito, cobrimos a investigação a seguir no presente trabalho (i) o efeito na concentração de elétrons bidimensional com mudanças na armadilha doadora de superfície de profundo para raso, juntamente com as mudanças percentuais de alumínio na camada de barreira AlGaN, (ii) o efeito da armadilha de superfície e porcentagem de alumínio no potencial de superfície e (iii) a influência da armadilha de doador de superfície e porcentagem de alumínio no poço de potencial triangular na interface AlGaN – GaN.

Seção de método e configuração de simulação

Simulações de dispositivo 2-D foram realizadas usando Sentaurus TCAD versão L-2016.12 da Synopsys [22]. Calibramos a configuração da simulação TCAD reproduzindo o resultado experimental da heteroestrutura AlGaN / GaN HEMT [15], conforme mostrado na Fig. 1b.

a Esquema da estrutura simulada 2D com fração molar de Al de 28%. b Calibração da configuração da simulação reproduzindo os resultados experimentais relatados [15]

O dispositivo calibrado tem uma camada de barreira AlGaN de 30 nm no topo da camada tampão de 2 μm GaN. Comprimento do portão Schottky ( L _G ) de 1 μm é colocado simetricamente no topo da camada de barreira AlGaN. Região não fechada do portão ao dreno / fonte ( L _GD / L _GS ) tem uma dimensão de 2,5 μm cada e a largura do dispositivo é 150 μm.

A plataforma de simulação aborda três condições (condição de Poisson ao lado do elétron e condição de continuidade do buraco) que supervisiona o comportamento do semicondutor.

O modelo de transporte de deriva e difusão (DD) autoconsistente também está incluído. A mobilidade Lombardi e o modelo de mobilidade unificada Philip foram invocados para facilitar a degradação da mobilidade devido ao campo elétrico e ao doping. Além disso, o modelo de recombinação Auger e SRH (Shockley – Read – Hall) foi usado junto com as estatísticas de Fermi – Dirac. O modelo Slotboom é ativado para encontrar o estreitamento da lacuna de drenagem fortemente dopada e área estendida da fonte. Como esta estrutura tem duas camadas e estamos alterando a porcentagem de alumínio na camada de barreira AlGaN, a carga de polarização é introduzida de acordo com a equação de [3]:
$$ \ left | {\ sigma (x)} \ right | =\ left | {2 \ frac {a (0) - a (x)} {{a (x)}} \ left \ {{e_ {31} (x) - e_ {33} \ frac {{C_ {13} (x )}} {{C_ {33} (x)}}} \ right \} + P _ {{{\ text {SP}}}} (x) - P _ {{{\ text {SP}}}} (0 )} \ right | $$ (1)
onde P _SP é a polarização espontânea, e ₃₃ e e ₃₁ são coeficientes piezoelétricos, C ₃₃ e C ₃₁ são constantes elásticas, a é a constante de rede e x é uma porcentagem molar de alumínio.

A variação da carga de polarização ± σ _AlGaN ( x ) com porcentagem de alumínio é mostrado na Fig. 2a [3]. Uma vez que a carga de polarização é calculada, a equação de Poisson pode ser resolvida. Na interface AlGaN-GaN, a banda de condução muda abruptamente e forma um poço quântico de potencial triangular estreito (1–4 nm) onde os elétrons se acumulam. Como esse potencial quântico é muito estreito, a densidade reduzida dos estados se torna dominante. A equação quântica de Schrodinger é responsável pelo potencial quântico bem, mas é difícil de resolver para um dispositivo HEMT maior. Para capturar o comportamento do poço potencial quântico, invocamos o modelo eQuantumpotential no Sentaurus TCAD que ativa o modelo de correção quântica de gradiente de densidade [23] e dá um resultado próximo combinado com a equação quântica de Schrodinger para dispositivos HEMT maiores (dispositivos HEMT de potência). O modelo quântico de gradiente de densidade reduz o valor de pico da densidade de elétrons em 2DEG, e o valor de pico também se afasta da interface AlGaN-GaN. Conseqüentemente, isso reduz o mecanismo de espalhamento da interface e melhora a mobilidade no canal, ver Fig. 2b [20]. O modelo quântico de gradiente de densidade introduz um termo extra Λ na fórmula de densidade normal como:
$$ n =N _ {{\ text {C}}} F_ {1/2} \ left ({(E _ {{\ text {F}}} - E _ {{\ text {C}}} - \ Lambda) / kT} \ right) $$ (2)
onde N _C é a densidade efetiva de estados, F 1 / 2 é integral de Fermi de ordem 1 / 2, E _F é a energia quase Fermi para elétrons, E _C é a borda da banda de condução e kT representa a energia térmica dos elétrons. Λ é calculado por:
$$ \ Lambda =- \ left ({\ left ({{{\ gamma \ hbar ^ {2}} \ mathord {\ left / {\ vphantom {{\ gamma \ hbar ^ {2}} {6m_ {n} }}} \ right. \ kern- \ nulldelimiterspace} {6m_ {n}}}} \ right) \ cdot \ left ({\ nabla ^ {2} \ sqrt n} \ right) / \ sqrt n} \ right) $$ (3)
onde ħ = h / 2 π , h é a prancha constante, m _n é uma massa efetiva do elétron, γ ( γ =1,28) é um parâmetro de ajuste e n é a densidade do elétron.

a Variação da carga da folha de polarização em relação à concentração de alumínio na camada de barreira AlGaN [3]. b Efeito do cativeiro quântico na densidade de elétrons 2DEG

As armadilhas de superfície foram introduzidas como estado doador (+ σ _D ) na superfície das camadas de barreira AlGaN Fig. 1a, e a simulação foi realizada na temperatura de 300 K. A calibração foi feita com a concentração inicial de alumínio de 28%.

Resultados e discussão da simulação

Efeito da porcentagem de alumínio e armadilhas de superfície na densidade 2DEG

O dispositivo foi simulado sob nenhuma condição de polarização aplicada para investigar a densidade de elétrons 2DEG. Enquanto estamos nos concentrando na densidade de elétrons 2DEG, para toda a energia do estado doador, até um certo valor (valor relativamente mais baixo) de concentração de armadilha do doador, não há mudança significativa na densidade de elétrons (ou seja, Região1). A densidade de elétrons 2DEG muda proporcionalmente com a concentração de doador de superfície (entre Região1 para Região2). Após um certo valor de limiar de armadilha de doador de superfície, novamente não há mudança aparecendo na densidade de elétrons (ou seja, Região2), ver Fig. 3a-d. Este mecanismo pode ser explicado da seguinte forma:

a - d Variação da densidade da folha de elétrons na concentração de doador de superfície 2DEG w.r.t e energia (de 0,2 eV raso a 1,4 eV profundo) para diferentes percentuais de alumínio. e Distribuição de carga diferente e orientação de campo elétrico no dispositivo

(i) A banda de condução da camada de barreira AlGaN para a região 1 tem uma lacuna maior do nível de Fermi na superfície. À medida que a concentração da armadilha doadora começa a aumentar de um valor inferior para um superior, no período de transição (entre Região1 para Região2), a banda de condução começa a se mover proporcionalmente em direção ao nível de Fermi. Assim, a concentração de 2DEG começa a aumentar de um valor inferior para um valor superior. No período de transição (entre Região1 para Região2) a banda de condução começa a se mover proporcionalmente em direção ao nível de Fermi e, portanto, a energia da superfície doadora também se move em direção ao nível de Fermi. Para a Região2, uma vez que a concentração do doador cruza o valor limite, a curvatura da banda de condução começa de tal forma que a energia da armadilha do doador fixa o nível de Fermi. Devido ao pining do nível de Fermi, todos os estados doadores ficam ionizados e contribuem com elétrons para o poço de potencial quântico triangular 2DEG. Uma vez que a energia dos estados doadores é fixada no nível de Fermi, nenhuma mudança significativa reflete na densidade do elétron. (ii) Para encontrar a neutralidade de carga no dispositivo, os estados doadores de superfície são essenciais para conter os elétrons em 2DEG. À medida que os estados doadores de superfície aumentam, um campo elétrico começa a aumentar da superfície para o poço quântico 2DEG. Este campo elétrico contraria o campo elétrico embutido produzido pela carga da folha de polarização (± σ _AlGaN ) Quando o campo elétrico externo começa a exceder o campo elétrico interno (devido a ± σ _AlGaN ), ele reduz a banda de condução na superfície e, portanto, contribui com mais elétrons para o poço de potencial 2DEG, consulte a Fig. 3e. Quando a porcentagem de alumínio aumenta de 5 para 50%, a densidade de carga da folha de polarização também aumenta proporcionalmente, o que leva a um alto campo elétrico interno (devido à polarização). Para superar esse campo elétrico interno, é necessária uma concentração maior de armadilhas doadoras de superfície. Portanto, a região de transição é deslocada (de 10 para 130 vezes com 10 ¹¹ cm ⁻² ) para o valor mais alto de concentração de armadilha do doador, onde a densidade de elétrons 2DEG muda proporcionalmente à concentração da armadilha do doador, Fig. 3a – d. A concentração 2DEG para cada porcentagem de alumínio em relação ao doador de superfície (concentrado + energia) é representada graficamente na Fig. 4. Apesar do padrão de concentração de elétrons 2DEG ser o mesmo para todas as porcentagens de alumínio, quando a armadilha doadora vai de rasa (0,2 eV) para profundo (1,4 eV) (Fig. 5), a mudança na densidade de elétrons 2DEG de profundo para raso ainda é bastante significativa. No caso da concentração de 5% de alumínio, a armadilha doadora vai de profundo (1,4 eV) para raso (0,2 eV), não contribui de forma significativa para o poço de potencial. Como concentração de carga de polarização (± σ ) é da ordem de 10 ¹¹ cm ⁻² para 5% de alumínio ver Fig. 2a, o campo elétrico devido a essas cargas de polarização não são suficientes para trazer o deslocamento da banda de condução abaixo do nível de Fermi, portanto, nenhum poço de potencial triangular 2DEG é formado no lado GaN da estrutura de interface AlGaN-GaN. Também é evidente que mesmo para a concentração mais alta de armadilhas de doadores de superfície, a saturação da densidade de elétrons não ocorre como mostrado nas Figs. 4a e 6. Isso também é verdadeiro para a porcentagem de alumínio de 10%, conforme mostrado na Fig. 4b. Para 20% e além, a concentração da carga de polarização (± σ) é maior que 10 ¹² cm ⁻² . Portanto, o campo elétrico interno é grande o suficiente para puxar o deslocamento da banda de condução abaixo do nível de Fermi e, portanto, forma o potencial quântico triangular 2DEG, bem como ver Fig. 6b, c. Portanto, para a porcentagem de alumínio de 20% e acima, a densidade de elétrons 2DEG se aproxima de ~ 10 ¹³ cm ⁻² para armadilhas de doador rasas, conforme mostrado na Fig. 4c. Para concentração de alumínio de 20%, 30% e além, a contribuição do elétron no poço triangular é ter densidade de 1 × 10 ¹³ para 3 × 10 ¹³ cm ⁻² . A Figura 5a, b representa a mudança percentual da densidade de elétrons em um poço triangular quando a energia da armadilha doador muda de 1,4e para 0,2 eV. Conforme vamos de 5 a 50% da porcentagem de alumínio, a mudança na concentração de 2DEG reduz significativamente de 10,89 vezes para 1,08 vezes e fica saturada além de 30%.

Variação de uma porcentagem individual de alumínio para armadilha de superfície doadora de profunda para rasa em relação à banda de condução

a Mudança percentual da escala logarítmica na densidade de elétrons 2DEG para concentração de Al quando o doador de superfície torna-se raso do nível profundo em relação à banda de condução. b Escala linear

a , c Variação da banda de condução de cada lado da interface AlGaN-GaN para 5% de alumínio e b , d para 30% de alumínio. A armadilha de superfície de nível profundo não contribui com carga de elétron e folha positiva para o poço de potencial e a superfície, tornando a inclinação da banda de condução mais alta. Mesmo para o estado de superfície doadora profunda (1,4 eV), há um poço de potencial 2DEG se formando para 30% de alumínio. Isso não é verdade para 5% de alumínio

Efeito da porcentagem de alumínio e armadilha de superfície no potencial de superfície

Algumas das literaturas discutiram a variação do potencial de superfície devido à mudança na porcentagem de alumínio [29]. Mas eles não incorporaram o efeito das armadilhas de doadores de superfície no potencial de superfície. Aqui, estamos relatando a variação do potencial de superfície devido às armadilhas doadoras de superfície, em ambas as dimensões de energia e concentração, ver Fig. 7a. Neste estudo, mudamos a concentração de doador de superfície de 1 × 10 ¹² para 1 × 10 ¹⁶ e energia doadora de superfície de 0,2 a 1,4 eV. O potencial de superfície foi calculado a partir da Fig. 6b. O potencial de superfície se estabelece perto de 3,7 eV (para concentração de doador de superfície 1 × 10 ¹² ) e 3,6 eV (para concentração de doador de superfície 1 × 10 ¹³ ) Este potencial de superfície não depende da energia da armadilha doadora de superfície para seu valor mais baixo. O potencial de superfície aumenta linearmente conforme o doador de superfície vai fundo (1,4 eV) de raso (0,2 eV). À medida que o potencial de superfície diminui, a concentração de elétrons 2DEG aumentará porque o potencial de superfície varia linearmente com a energia da armadilha do doador de superfície. A porcentagem de alumínio também tem um grande impacto no potencial de superfície. Aumentando a porcentagem de alumínio de 5 para 50%, a concentração de elétrons aumenta de 7,79 × 10 ¹¹ para 2,75 × 10 ¹³ . O potencial de superfície também aumenta de 0,49 a 0,576 eV quando a porcentagem de alumínio muda de 5 a 50%, ver Fig. 7b. Assim, a concentração e a energia da armadilha doadora de superfície, juntamente com a concentração de alumínio, têm uma grande influência no potencial de superfície.

a Variação do potencial de superfície em relação à energia da armadilha doadora de superfície. Em concentrações mais baixas (menos de 1e14), não há mudança significativa no potencial de superfície. Concentração do doador de superfície acima de 1e13, potencial de superfície mudando proporcionalmente à energia do doador de superfície. b A concentração de elétrons em 2DEG muda de 7,79 × 10 ¹¹ para 2,75 × 10 ¹³ para alterações de porcentagem de alumínio de 5% para 50% (linha azul). O potencial de superfície muda aproximadamente 0,1 eV de 5 a 50% da porcentagem de alumínio

Efeito da porcentagem de alumínio e armadilha de superfície na banda de condução e poço potencial 2DEG

As armadilhas de superfície ionizada contribuem com elétrons para o poço de potencial e carga de folha positiva na superfície AlGaN [6]. No caso da concentração de 5% de alumínio, conforme as armadilhas se aprofundam a partir do nível de energia raso, a quantidade de armadilhas de superfície ionizada torna-se cada vez menor. Assim, as armadilhas de superfície ionizada contribuíram com menos elétrons para o poço de potencial triangular e cargas de folha positivas na superfície. Menos quantidade de cargas de folha positiva e concentração de elétrons em 2DEG não contribui com campo elétrico externo suficiente e, portanto, a inclinação da banda de condução na camada AlGaN torna-se maior, conforme mostrado na Fig. 6. Isso também é verdadeiro para o alumínio com 10% na camada de barreira AlGaN. Os elétrons livres dos estados doadores de superfície residem no poço de potencial 2DEG e neutralizam a carga de folha positiva que aparece na superfície de AlGaN. Esta carga da folha de elétrons é calculada por [24]:
$$ n _ {{\ text {s}}} (x) =\ frac {+ \ sigma (x)} {e} - \ left ({\ frac {{\ varepsilon_ {o} \ varepsilon (x)}} {{de ^ {2}}}} \ right) \ left [{e \ phi _ {{\ text {b}}} (x) + E _ {{\ text {F}}} - \ Delta E _ {{\ texto {C}}} (x)} \ right] $$ (4)
onde d é a espessura do Al _x Ga _{(1− x )} N camada de barreira, ϕ _b é a barreira Schottky, E _F é o nível de Fermi e Δ E _C é o deslocamento da banda de condução na interface AlGaN-GaN. É evidente a partir da Eq. (4) que a densidade de carga da folha de elétrons é diretamente proporcional ao deslocamento da banda de condução e às cargas de polarização, que é uma função da porcentagem de alumínio. À medida que aumentamos a porcentagem de alumínio de 10 para 50%, o deslocamento da banda de condução aumenta [25] e, portanto, a densidade do elétron em 2DEG aumenta devido ao aumento no número de níveis de energia, consulte a Fig. 8. O campo elétrico interno do dispositivo, quando a concentração de alumínio é de 20% e acima, é tal que a inclinação da banda de condução é alta o suficiente para construir o poço de potencial triangular mesmo para energia de armadilha de superfície de nível profundo (1,4 eV) e concentração de armadilha de doador de superfície inferior, como mostrado na Fig. 6b, d .

Densidade de elétrons no poço de potencial quântico triangular para diferentes concentrações de alumínio em concentração de doador e energia fixas

É importante olhar para o entalhe do potencial quântico triangular bem formado abaixo do nível de Fermi (( E _F - E) eV), onde E é a energia abaixo do nível de Fermi. Dois parâmetros importantes no poço de potencial quântico triangular são a profundidade do potencial bem abaixo do nível de Fermi e a largura do poço de potencial no nível de Fermi. O confinamento dos elétrons em regiões de duas dimensões é chamado de folha quântica 2DEG. A densidade dos estados N ( E ) é uma das características importantes no poço de potencial quântico 2DEG. A densidade de estados em um poço quântico bidimensional é definida como [26]:
$$ N (E) =\ left ({{{m ^ {*} L _ {{\ text {X}}} ^ {2} E} \ mathord {\ left / {\ vphantom {{m ^ {*} L _ {{\ text {X}}} ^ {2} E} {\ pi \ hbar ^ {2}}}} \ right. \ Kern- \ nulldelimiterspace} {\ pi \ hbar ^ {2}}}} \ direita) $$ (5)
onde m * é a massa efetiva do elétron e L _X é a largura do poço. Esta densidade de estado em poço bidimensional parece uma função escalonada.

O número de estados ocupados depende do nível de Fermi. Por exemplo, se o nível de Fermi for superior a E ₁ mas menos do que E ₂ ; então apenas E ₁ sub-banda é preenchida. Se o nível de Fermi estiver acima de E ₂ , mas menos do que E ₃ , então duas sub-bandas inferiores E ₂ e E ₁ são preenchidos com elétrons como mostrado na Fig. 9b. Isso significa que se a energia na interface for mais profunda com o nível de Fermi, então apenas elétrons serão esperados em grande número. Na hetero-estrutura AlGaN / GaN o espaçamento de energia diminui (( E ₂ - E ₁ )> ( E ₃ - E ₂ )) para sub-bandas superiores [27]. À medida que a energia da sub-banda aumenta, a diferença entre eles se torna insignificante e parece contínua. A solução rigorosamente correta da função de onda contém a equação de Poisson e a equação de Schrodinger simultaneamente. Mas o modelo de gradiente de densidade gera o resultado aproximadamente igual à equação de Schrodinger. No poço de potencial quântico, o nível de energia é quantificado porque este poço forma até alguns comprimentos de nm no lado GaN da interface AlGaN-GaN. O entalhe mais profundo abaixo do nível de Fermi certamente terá um número maior de níveis de energia quantificados. O nível de energia quantificado abaixo do nível de Fermi está ocupado. Portanto, quanto mais profunda a energia abaixo do nível de Fermi, a concentração de elétrons será maior em 2DEG. Na Fig. 9a, é claro que o nível de energia abaixo do nível de Fermi torna-se mais alto quando a porcentagem de alumínio aumenta porque a carga de polarização aumenta e, portanto, o campo elétrico interno faz o entalhe ir mais fundo. No que diz respeito à energia doadora de superfície, é evidente a partir da discussão anterior que quando as armadilhas de superfície se aprofundam (1,4 eV), a ionização desses doadores de superfície diminui. Portanto, o campo elétrico é gerado devido a cargas de folha positivas na superfície e os elétrons contribuídos por esses doadores de superfície para 2DEG não são suficientes para superar o campo elétrico interno. Assim, o efeito da carga de polarização em termos de campo elétrico é reduzido, o que leva a níveis de energia menores abaixo do nível de Fermi. Uma exceção é para a concentração de 5% de alumínio, é claro na Fig. 10a que o valor de E _F - E é negativo, pois o nível de Fermi é assumido em nível zero, para as armadilhas de doador profundo (> 0,9 eV a 1,4 eV), o que significa que a energia E é superior ao nível de Fermi (2DEG não está se formando). Para armadilhas doadoras de superfície mais rasas (<0,9 eV a 0,2 eV), o valor de E _F - E é positivo, o que significa que o valor do E é inferior ao nível de Fermi. Para o restante da concentração de alumínio (10% a 50%), o valor de E _F - E é positivo, o que significa que o valor de E é inferior ao nível de Fermi e o entalhe 2DEG está se formando para todos os tipos de energia doadora de superfície (de 0,2 eV a 1,4 eV). Observa-se na Fig. 11a que a variação percentual da energia E com o alumínio fica saturado além da concentração de 20% de alumínio, o que também está em sintonia com a Fig. 5. A profundidade do entalhe abaixo do nível de Fermi não muda significativamente após a concentração de 20% de alumínio, quando o doador de superfície captura a mudança de energia de profundo para raso. A Figura 11b também mostra que não há corrente significativa de até 10% da fração molar de alumínio. Acima de 10%, há uma mudança significativa na corrente quando a energia do doador de superfície muda de E _C - 0,2 a E _C - 1,4 eV e novamente saturado além de 20%. Este resultado também está em sintonia com as Figs. 11a e 5. O gráfico de contorno da densidade de corrente absoluta também mostra que satura acima de 20% da fração molar de Al e nenhuma densidade de corrente significativa até 10% da fração molar de Al Fig. 12. Isso também valida a não formação de 2DEG até 10% de Al fração molar. Uma quantidade significativa de densidade de elétrons observada acima de 20% da fração molar Fig. 13a. A distribuição do campo elétrico ao longo do canal está representada na Fig. 13b. A Figura 13b mostra que não há campo elétrico notavelmente melhorado abaixo do portão até 10% da fração molar de Al e acima de 20% da fração molar de Al, não há muita diferença no campo elétrico, o que limita a corrente em maior porcentagem de Al.

a Um potencial triangular bem ilustrando energias de subbandas com Fang – Howard Airy função de onda. b Apenas sub-bandas de energia inferior ( E ₁ e E ₂ , abaixo do nível de Fermi) estão ocupados [28]

a - f ( E _F - E ) variação com a energia doadora de superfície para todas as concentrações de alumínio

a A variação percentual da energia E com concentração de alumínio quando a energia do doador de superfície muda profundamente para rasa. b Drene a corrente e V _DS =0,1 V e V _GS =0 V em diferente doador de superfície captura a energia. Até 10% nenhuma corrente significativa observada no dispositivo

Gráfico de contorno da densidade de corrente total absoluta para energia doadora de superfície de 0,6 eV em V _DS =0,1 V e V _GS =0 V

a Electron density variation with aluminum percentage and b electric field variation below gate and either side of gate for different aluminum percentage

Conclusion

In this paper, we comprehensively present the effect of surface donor traps along with aluminum percentage on electron density and quantum potential well. This manuscript demonstrated that the percentage change happens in 2DEG and notch below the Fermi level gets saturated above 20% of aluminum concentration when surface donor trap energy goes deep to shallow. The electron density in the two-dimensional quantum potential well is saturated approximately at 8%, whereas the energy below the Fermi level saturates somewhere around 2%. These two results are also in tune with each other, except 5% aluminum, having a condition for not forming two-dimensional well for relatively deep (> 0.9 eV) surface donors. Aluminum percentage above 10% forms two-dimensional quantum potential well even for deeper surface donor traps. The effect of surface donor traps on the surface potential also has been discussed in this work. The results of this paper may provide the impetus to the experimental result validation.

Availability of data and materials

All data are available on request.

Abbreviations

GaN:

Gallium nitride

HEMT:

High-electron-mobility transistor

2DEG:

Two-dimensional electron gas

DD:

Drift and diffusion transport model

SRH:

Shockley–Read–Hall recombination model

N, N-Dimetilformamida regulando a fluorescência de pontos quânticos MXene para a determinação sensível de Fe3 + Metassuperfície de gradiente de fase totalmente dielétrica executando transmissão anômala de alta eficiência na região do infravermelho próximo