Impacto de Armadilhas Superficiais Doadoras e Composição de Alumínio na Densidade de 2DEG e Potencial de Superfície em HEMTs AlGaN/GaN

Resumo

Armadilhas superficiais influenciam profundamente o desempenho de HEMTs AlGaN/GaN. Ao simular a concentração de elétrons 2DEG em uma ampla gama de frações de alumínio (5-50%) e parâmetros de armadilhas doadoras superficiais (concentração 10¹¹-10¹⁶ cm⁻², energia 0,2-1,4 eV), demonstramos que a densidade 2DEG satura em aproximadamente 8% quando as armadilhas doadoras mudam de profundas para rasas. Concurrentemente, a profundidade do poço quântico abaixo do nível de Fermi atinge um platô de cerca de 2%. Esses resultados, obtidos através de modelagem TCAD abrangente, fornecem uma estrutura quantitativa para projetar HEMTs com transporte de elétrons e controle de potencial de superfície otimizados.

Introdução

Heteroestruturas AlGaN/GaN são a base de dispositivos de alta frequência e alta potência devido ao seu gás eletrônico bidimensional intrínseco (2DEG) formado na interface AlGaN-GaN. Este 2DEG surge de cargas de polarização espontânea e piezoelétrica na barreira AlGaN, mas estados doadores superficiais - ionizados a ~1,42 eV abaixo da banda de condução - contribuem com carga de folha positiva adicional essencial para estabilizar o poço quântico triangular. Estudos anteriores examinaram armadilhas superficiais isoladamente, mas a influência combinada de concentração de armadilhas, energia e fração molar de alumínio na formação de 2DEG permanece pouco explorada. Este trabalho aborda essa lacuna variando sistematicamente esses parâmetros e analisando seus efeitos no potencial de superfície, distribuição de campo elétrico e características de 2DEG.

Metodologia e Configuração de Simulação

Todas as simulações foram realizadas com Synopsys Sentaurus TCAD L-2016.12, calibrado contra dados experimentais para uma barreira Al₀,₂₈Ga₀,₇₂N de 30 nm em um buffer GaN de 2 µm (Fig. 1). O dispositivo apresenta um portão Schottky de 1 µm, espaçamento não portado de 2,5 µm e largura de 150 µm. A carga de polarização foi calculada usando a expressão dependente de fração Al estabelecida |σ(x)| = |2(a(0)-a(x))/a(x){e₃₁(x)-e₃₃C₁₃(x)/C₃₃(x)}+P_SP(x)-P_SP(0)| (Eq. 1). O confinamento quântico foi capturado via modelo de gradiente de densidade, introduzindo o termo de correção Λ (Eq. 2-3). Estados doadores superficiais foram modelados como carga de folha positiva σ_D na superfície AlGaN. Todas as simulações rodaram a 300 K com grade 2-dimensional para capturar a física completa do dispositivo.

Resultados e Discussão

Densidade 2DEG versus Fração de Alumínio e Armadilhas Superficiais

Para cada fração Al, a densidade 2DEG permanece plana em baixas concentrações de doadores (Região 1). À medida que a concentração de armadilhas aumenta para a Região 2, a densidade aumenta linearmente até um limiar onde maior ativação de armadilhas não altera mais o 2DEG - isso reflete o pinning do nível de Fermi por doadores totalmente ionizados. Maior teor de alumínio amplifica o campo de polarização interno, deslocando o limiar para maiores concentrações de armadilhas e estendendo o regime linear. Em todas as frações Al, a transição de energia doadora profunda (1,4 eV) para rasa (0,2 eV) produz um aumento pronunciado na densidade 2DEG, mas esse efeito satura além de ~30% Al (Fig. 4). A 20% Al e acima, a densidade de folha 2DEG se aproxima de 1-3 × 10¹³ cm⁻².

Modulação do Potencial de Superfície

O potencial de superfície diminui linearmente à medida que a energia doadora se aprofunda, aumentando assim a densidade 2DEG. Para concentrações de doadores > 10¹³ cm⁻², o potencial varia proporcionalmente com a energia doadora (Fig. 7a). Aumentar a fração Al de 5% para 50% eleva a densidade 2DEG de 7,8 × 10¹¹ cm⁻² para 2,75 × 10¹³ cm⁻², enquanto o potencial de superfície muda em ~0,1 eV (Fig. 7b). Essas tendências confirmam que tanto as características das armadilhas quanto o teor de Al ditam conjuntamente o potencial de superfície.

Perfil da Banda de Condução e Profundidade do Poço Quântico

O enriquecimento de alumínio aumenta o deslocamento da banda de condução e a carga de polarização, inclinando a banda na camada AlGaN. Para Al ≥ 20%, a banda de condução se curva suficientemente abaixo do nível de Fermi para formar um poço triangular robusto mesmo para armadilhas doadoras profundas. A profundidade do poço, quantificada por E_F - E, satura após 20% Al, alinhando-se com o platô observado na densidade 2DEG (Fig. 9-11). Simulações de corrente dreno-fonte corroboram isso, mostrando corrente negligenciável para Al ≤ 10% e condução significativa acima de 20% (Fig. 12-13).

Conclusão

Nosso estudo TCAD abrangente revela que a interação entre armadilhas doadoras superficiais e composição de alumínio molda criticamente a densidade 2DEG, potencial de superfície e profundidade do poço quântico em HEMTs AlGaN/GaN. A densidade 2DEG estabiliza em ~8% e a profundidade do poço em ~2% além de 20% Al, enquanto 5% Al falha em suportar 2DEG para armadilhas profundas. Esses insights fornecem base sólida para engenharia de HEMTs com propriedades de transporte de elétrons personalizadas.

Disponibilidade de Dados

Todos os dados subjacentes a estes resultados estão disponíveis mediante solicitação.

Abreviações

• GaN – Nitreto de gálio
• HEMT – Transistor de alta mobilidade eletrônica
• 2DEG – Gás eletrônico bidimensional
• DD – Modelo de transporte deriva e difusão
• SRH – Modelo de recombinação Shockley-Read-Hall