Dampak Keadaan Permukaan dan Fraksi Mol Aluminium pada Potensi Permukaan dan 2DEG dalam HEMT AlGaN/GaN
Abstrak
Kehadiran perangkap permukaan merupakan fenomena penting dalam HEMT AlGaN/GaN. Sifat listrik dan fisik dari perangkap permukaan ini telah dianalisis melalui studi konsentrasi elektron 2DEG bersama dengan variasi persentase aluminium pada lapisan penghalang HEMT. Analisis ini menunjukkan bahwa dari donor dalam ke dangkal, persentase perubahan kerapatan elektron dalam 2DEG menjadi jenuh (mendekati 8%) dengan perubahan konsentrasi aluminium. Kedalaman potensi kuantum jauh di bawah tingkat Fermi juga dianalisis dan ditemukan jenuh (mendekati 2%) dengan persentase aluminium ketika donor permukaan menyatakan energi berubah menjadi dalam dari dangkal. Fisika di balik efek kolektif ini juga dianalisis melalui diagram pita. Pengaruh perangkap donor permukaan pada potensi permukaan juga telah dibahas secara rinci. Keadaan permukaan ini dimodelkan sebagai keadaan donor. Donor dalam (EC− ED = 1.4 eV) ke donor dangkal (ECED = 0.2 eV) perangkap permukaan dipelajari secara menyeluruh untuk konsentrasi donor 10
11
sampai 10
16
cm
−2
. Penelitian ini melibatkan variasi konsentrasi aluminium dari 5 sampai 50%. Makalah ini untuk pertama kalinya menyajikan studi TCAD yang komprehensif tentang donor permukaan dan analisis konsentrasi elektron dalam saluran dan pembentukan 2DEG pada antarmuka AlGaN–GaN.
Pendahuluan
Aplikasi frekuensi tinggi dan daya tinggi adalah dua sifat utama bahan GaN yang telah dipelajari dalam tiga dekade terakhir [1, 2]. Salah satu keuntungan utama dari struktur AlGaN/GaN adalah pembentukan 2DEG di sumur potensial segitiga pada antarmuka AlGaN-GaN bahkan tanpa doping yang disengaja di lapisan penghalang [3, 4]. Terbukti dengan baik bahwa polarisasi spontan dan piezoelektrik ada di lapisan AlGaN struktur AlGaN/GaN [3]. Polarisasi ini menghasilkan dua lembar muatan yang berlawanan di bagian bawah dan atas lapisan penghalang AlGaN. Muatan lembar polarisasi ini saja tidak cukup untuk membentuk sumur potensial segitiga pada antarmuka AlGaN-GaN. Untuk mengatasi hal ini, Ibbetson dkk. [5] menyarankan bahwa harus ada lembaran muatan positif yang harus ada pada permukaan lapisan AlGaN. Muatan positif ini muncul karena ionisasi keadaan donor permukaan (1,42 eV dari pita konduksi dengan 1,35 × 10
13
cm
−2
) di permukaan [6].
Vetury dkk. [7] menyelidiki efek dari keadaan permukaan ini menggunakan probe potensial sebagai gerbang mengambang. Pengaruh keadaan permukaan pada kinerja DC dan RF dari AlGaN/GaN HEMT telah dipelajari [8, 9]. Perilaku gerbang Schottky skala nanometer membahas pembentukan gerbang virtual di wilayah yang tidak memiliki gerbang karena keadaan donor permukaan [10]. Keadaan donor permukaan tetap digunakan untuk menganalisis efek pemanasan sendiri dalam HEMT [11]. Longobardi dkk. [12] melakukan simulasi TCAD pertama untuk mempelajari pengaruh keadaan donor permukaan pada karakteristik DC dari MISFET AlGaN/GaN. Untuk mengaktifkan keadaan donor permukaan ini dalam simulasi TCAD, Bakeroot dan lainnya memperkenalkan model yang berbeda [13, 14]. Resistensi Drain/Sumber juga bergantung pada bias gerbang karena pembentukan gerbang virtual di wilayah tanpa gerbang dari permukaan AlGaN. Pradeep dkk. [15] telah mengembangkan prosedur ekstraksi mobilitas dan resistensi berdasarkan karakteristik DC wilayah linier dari HEMT AlGaN/GaN. Meneghesso dkk. [16] membahas keadaan permukaan sebagai perangkap yang menangkap lapisan lubang yang sangat padat pada permukaan AlGaN untuk mengkompensasi elektron dalam 2DEG. Perangkap donor permukaan yang tersedia di bagian atas lapisan AlGaN mengubah perilaku listrik perangkat ketika perangkap ini ditempati oleh elektron dengan bias gerbang negatif [17]. Hubungan antara perangkap donor permukaan dan elektron 2DEG juga telah dibahas melalui simulasi TCAD dengan mengadopsi fenomena transportasi yang bergantung pada waktu [18]. Meskipun teknik karakterisasi yang berbeda telah dieksplorasi, Tapajna et al. [19] menggunakan metode ambang-transien untuk menyelidiki perangkap akseptor antarmuka, tetapi karakterisasi perangkap donor permukaan masih belum diselidiki. Pendekatan pemodelan komputasi yang luas untuk perangkap permukaan sebagai donor juga telah dibahas [20]. Gucmann dkk. [21] membahas bahwa jika densitas donor permukaan lebih besar dari konsentrasi muatan polarisasi, maka elektron akan ditransfer ke antarmuka AlGaN–GaN untuk memulai 2DEG ke dalam saluran.
Literatur yang dibahas di atas telah melaporkan begitu banyak aspek yang relevan dari heterostruktur AlGaN/GaN tetapi tidak memperhitungkan efek gabungan dari donor permukaan (Konsentrasi + Energi) dan kontribusi konsentrasi aluminium dalam konsentrasi elektron dua dimensi. Terbukti bahwa persentase aluminium terutama bertanggung jawab untuk muatan polarisasi di lapisan penghalang AlGaN [3].
Untuk memberikan pemahaman fisik yang tepat tentang efek semacam itu, kami telah membahas penyelidikan berikut dalam karya ini (i) efek pada konsentrasi elektron dua dimensi dengan perangkap donor permukaan berubah dari dalam ke dangkal bersama dengan perubahan persentase aluminium pada lapisan penghalang AlGaN, (ii) pengaruh perangkap permukaan dan persentase aluminium terhadap potensial permukaan dan (iii) pengaruh perangkap donor permukaan dan persentase aluminium pada sumur potensial segitiga pada antarmuka AlGaN–GaN.
Bagian Metode dan Penyiapan Simulasi
Simulasi perangkat 2-D dilakukan menggunakan Synopsys's Sentaurus TCAD versi L-2016.12 [22]. Kami mengkalibrasi setup simulasi TCAD dengan mereproduksi hasil eksperimen heterostruktur AlGaN/GaN HEMT [15], seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1b.
a Skema struktur simulasi 2D dengan fraksi mol Al 28%. b Kalibrasi setup simulasi dengan mereproduksi hasil eksperimen yang dilaporkan [15]
Perangkat yang dikalibrasi memiliki lapisan penghalang AlGaN 30 nm di atas lapisan buffer GaN 2 μm. Panjang gerbang Schottky (LG ) sebesar 1 μm ditempatkan secara simetris di atas lapisan penghalang AlGaN. Wilayah tanpa gerbang dari gerbang ke saluran pembuangan/sumber (LGD /LGS ) memiliki dimensi masing-masing 2,5 μm dan lebar perangkat adalah 150 μm.
Platform simulasi menangani tiga kondisi (kondisi Poisson di samping kondisi kontinuitas elektron dan lubang) yang mengawasi perilaku semikonduktor.
Model transportasi drift dan difusi (DD) yang konsisten sendiri juga disertakan. Mobilitas Lombardi dan model mobilitas terpadu Philip dipanggil untuk memfasilitasi degradasi mobilitas karena medan listrik dan doping. Selain itu, model rekombinasi Auger dan SRH (Shockley–Read–Hall) digunakan bersama dengan statistik Fermi–Dirac. Model slotboom diaktifkan untuk menghadapi penyempitan celah pita dari saluran yang dikotori berat dan area sumber yang diperluas. Karena struktur ini memiliki dua lapisan dan kita mengubah persentase aluminium di lapisan penghalang AlGaN, muatan polarisasi diperkenalkan sesuai dengan persamaan [3]:
dimana PSP adalah polarisasi spontan, e33 dan e31 adalah koefisien piezoelektrik, C33 dan C31 adalah konstanta elastis, a adalah konstanta kisi dan x adalah persentase mol aluminium.
Variasi muatan polarisasi ± σAlGaN (x ) dengan persentase aluminium digambarkan pada Gambar. 2a [3]. Setelah muatan polarisasi dihitung, persamaan Poisson dapat diselesaikan. Pada antarmuka AlGaN–GaN pita konduksi berubah secara tiba-tiba dan membentuk sumur kuantum potensial segitiga sempit (1–4 nm) tempat elektron terakumulasi. Karena potensi kuantum ini sangat sempit, kepadatan tereduksi dari keadaan menjadi dominan. Persamaan kuantum Schrodinger menjelaskan potensi kuantum dengan baik tetapi sulit dipecahkan untuk perangkat HEMT yang lebih besar. Untuk menangkap perilaku sumur potensial kuantum, kami menggunakan model eQuantumpotential di Sentaurus TCAD yang mengaktifkan model koreksi kuantum gradien kepadatan [23] dan memberikan hasil yang sangat cocok dengan persamaan kuantum Schrodinger untuk perangkat HEMT yang lebih besar (perangkat HEMT daya). Model kuantum gradien kerapatan mengurangi nilai puncak kerapatan elektron dalam 2DEG, dan nilai puncak juga bergeser dari antarmuka AlGaN–GaN. Oleh karena itu, ini mengurangi mekanisme hamburan antarmuka dan meningkatkan mobilitas di saluran, lihat Gambar 2b [20]. Model kuantum gradien kerapatan memperkenalkan suku tambahan ke dalam rumus kerapatan normal seperti:
dimana NC adalah kepadatan efektif keadaan, F 1/ 2 adalah integral Fermi dari orde 1/ 2, EB adalah energi kuasi-Fermi untuk elektron, EC adalah tepi pita konduksi dan kT mewakili energi termal elektron. dihitung dengan:
dimana ħ = h /2π , h adalah konstanta papan, mn adalah massa efektif elektron, γ (γ = 1.28) adalah parameter yang pas dan n adalah kerapatan elektron.
a Variasi muatan lembar polarisasi sehubungan dengan konsentrasi aluminium di lapisan penghalang AlGaN [3]. b Pengaruh penangkaran kuantum pada kerapatan elektron 2DEG
Perangkap permukaan diperkenalkan sebagai status donor (+ σD ) pada permukaan lapisan penghalang AlGaN Gambar 1a, dan simulasi dilakukan pada suhu 300 K. Kalibrasi dilakukan dengan konsentrasi aluminium awal 28%.
Hasil dan Diskusi Simulasi
Pengaruh Persentase Aluminium dan Perangkap Permukaan pada Densitas 2DEG
Perangkat disimulasikan tanpa kondisi bias yang diterapkan untuk menyelidiki kerapatan elektron 2DEG. Sementara kami berkonsentrasi pada kerapatan elektron 2DEG, untuk semua energi keadaan donor, hingga nilai tertentu (nilai yang relatif lebih rendah) dari konsentrasi perangkap donor, tidak ada perubahan signifikan dalam kerapatan elektron (yaitu, Wilayah1). Densitas elektron 2DEG berubah secara proporsional dengan konsentrasi donor permukaan (antara Wilayah1 ke Wilayah2). Setelah nilai ambang batas tertentu dari perangkap donor permukaan, sekali lagi tidak ada perubahan yang muncul dalam kerapatan elektron (yaitu, Wilayah2), lihat Gambar 3a–d. Mekanisme ini dapat dijelaskan sebagai berikut:
a –d Variasi kerapatan lembaran elektron dalam konsentrasi dan energi donor permukaan 2DEG w.r.t (dari 0,2 eV dangkal hingga 1,4 eV dalam) untuk persentase aluminium yang berbeda. e Distribusi muatan dan orientasi medan listrik yang berbeda di perangkat
(i) Pita konduksi dari lapisan penghalang AlGaN untuk wilayah1 memiliki celah yang lebih besar dari tingkat Fermi di permukaan. Ketika konsentrasi perangkap donor mulai meningkat dari nilai yang lebih rendah ke nilai yang lebih tinggi, pada periode transisi (antara Wilayah1 ke Wilayah2), pita konduksi secara proporsional mulai bergerak menuju tingkat Fermi. Dengan demikian, konsentrasi 2DEG mulai meningkat dari nilai yang lebih rendah ke nilai yang lebih tinggi. Pada masa transisi (antara Region1 ke Region2) pita konduksi secara proporsional mulai bergerak menuju level Fermi dan dengan demikian energi permukaan donor juga bergerak menuju level Fermi. Untuk Wilayah2, begitu konsentrasi donor melewati nilai ambang batas, pembengkokan pita konduksi dimulai sedemikian rupa sehingga energi perangkap donor menjepit tingkat Fermi. Karena pin level Fermi, semua status donor terionisasi dan menyumbangkan elektron ke sumur potensial kuantum segitiga 2DEG. Setelah energi negara donor disematkan ke tingkat Fermi, tidak ada perubahan signifikan yang tercermin dalam kerapatan elektron. (ii) Untuk menemukan netralitas muatan dalam perangkat, keadaan donor permukaan sangat penting untuk melawan elektron dalam 2DEG. Saat status donor permukaan meningkat, medan listrik mulai meningkat dari permukaan ke sumur kuantum 2DEG. Medan listrik ini melawan medan listrik bawaan yang dihasilkan oleh muatan lembar polarisasi (± σAlGaN ). Ketika medan listrik eksternal mulai melebihi medan listrik internal (karena ± σAlGaN ), ia menurunkan pita konduksi di permukaan dan karenanya menyumbangkan lebih banyak elektron ke sumur potensial 2DEG, lihat Gbr. 3e. Ketika persentase aluminium meningkat dari 5 menjadi 50%, kerapatan muatan lembaran polarisasi juga meningkat secara proporsional, yang mengarah ke medan listrik internal yang tinggi (karena polarisasi). Untuk mengatasi medan listrik internal ini, diperlukan konsentrasi yang lebih tinggi dari perangkap donor permukaan. Oleh karena itu, wilayah transisi digeser (dari 10 menjadi 130 kali dengan 10
11
cm
−2
) untuk nilai konsentrasi perangkap donor yang lebih tinggi, di mana kerapatan elektron 2DEG berubah secara proporsional dengan konsentrasi perangkap donor, Gambar 3a–d. Konsentrasi 2DEG untuk setiap persentase aluminium sehubungan dengan donor permukaan (konsentrasi + energi) diplot pada Gambar. 4. Meskipun pola konsentrasi elektron 2DEG sama untuk semua persentase aluminium ketika perangkap donor berubah dari dangkal (0,2 eV) hingga dalam (1,4 eV) (Gbr. 5), perubahan kerapatan elektron 2DEG dari dalam ke dangkal masih cukup signifikan. Dalam hal konsentrasi aluminium 5%, jebakan donor berubah dari dalam (1,4 eV) ke dangkal (0,2 eV), tidak memberikan kontribusi yang signifikan terhadap sumur potensial. Sebagai konsentrasi muatan polarisasi (± σ ) adalah urutan 10
11
cm
−2
untuk aluminium 5% lihat Gambar. 2a, medan listrik karena muatan polarisasi ini tidak cukup untuk membawa offset pita konduksi di bawah level Fermi, oleh karena itu tidak ada sumur potensial segitiga 2DEG yang terbentuk di sisi GaN dari struktur antarmuka AlGaN–GaN. Juga terbukti bahwa bahkan untuk konsentrasi yang lebih tinggi dari perangkap donor permukaan, saturasi kerapatan elektron tidak terjadi seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4a dan 6. Hal ini juga berlaku untuk persentase aluminium 10% seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4b. Untuk 20% dan lebih, konsentrasi muatan polarisasi (± σ) lebih besar dari 10
12
cm
−2
. Jadi medan listrik internal cukup besar untuk menarik offset pita konduksi di bawah tingkat Fermi dan karenanya membentuk potensi kuantum segitiga 2DEG lihat Gambar 6b, c. Jadi untuk persentase aluminium 20% ke atas, kerapatan elektron 2DEG mendekati ~ 10
13
cm
−2
untuk jebakan donor dangkal seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4c. Untuk konsentrasi aluminium 20%, 30% dan seterusnya, kontribusi elektron pada sumur segitiga memiliki kerapatan 1 × 10
13
hingga 3 × 10
13
cm
−2
. Gambar 5a,b menggambarkan persentase perubahan kerapatan elektron dalam sumur segitiga ketika energi perangkap donor berubah dari 1,4e menjadi 0,2 eV. Seiring bertambahnya persentase aluminium dari 5 menjadi 50%, perubahan konsentrasi 2DEG berkurang secara signifikan dari 10,89 kali menjadi 1,08 kali dan menjadi jenuh melebihi 30%.
Variasi persentase aluminium individu untuk perangkap permukaan donor dari dalam ke dangkal sehubungan dengan pita konduksi
a Perubahan persentase skala log dalam kerapatan elektron 2DEG untuk konsentrasi Al ketika donor permukaan menjadi dangkal dari tingkat yang dalam sehubungan dengan pita konduksi. b Skala linier
a , c Variasi pita konduksi di kedua sisi antarmuka AlGaN–GaN untuk aluminium 5% dan b , d untuk 30% aluminium. Perangkap permukaan tingkat dalam tidak menyumbangkan elektron dan muatan lembaran positif ke sumur potensial dan permukaan, membuat kemiringan pita konduksi lebih tinggi. Bahkan untuk keadaan permukaan donor dalam (1,4 eV) ada potensi sumur 2DEG yang terbentuk untuk 30% aluminium. Ini tidak berlaku untuk aluminium 5%
Pengaruh Persentase Aluminium dan Perangkap Permukaan pada Potensi Permukaan
Beberapa literatur telah membahas variasi potensial permukaan akibat perubahan persentase aluminium [29]. Tetapi mereka belum memasukkan efek perangkap donor permukaan pada potensi permukaan. Di sini kami melaporkan variasi potensial permukaan karena perangkap donor permukaan, baik dalam dimensi energi maupun konsentrasi, lihat Gambar 7a. Dalam penelitian ini kami telah mengubah konsentrasi donor permukaan dari 1 × 10
12
hingga 1 × 10
16
dan energi donor permukaan dari 0,2 hingga 1,4 eV. Potensi permukaan telah dihitung dari Gambar 6b. Potensi permukaan mengendap di dekat 3,7 eV (untuk konsentrasi donor permukaan 1 × 10
12
) dan 3,6 eV (untuk konsentrasi donor permukaan 1 × 10
13
). Potensi permukaan ini tidak bergantung pada energi perangkap donor permukaan karena nilainya yang lebih rendah. Potensi permukaan meningkat secara linier saat donor permukaan semakin dalam (1,4 eV) dari yang dangkal (0,2 eV). Saat potensial permukaan turun, konsentrasi elektron 2DEG akan meningkat karena potensial permukaan bervariasi secara linier dengan energi perangkap donor permukaan. Persentase aluminium juga memiliki dampak besar pada potensi permukaan. Meningkatkan persentase aluminium dari 5 menjadi 50%, konsentrasi elektron meningkat dari 7,79 × 10
11
hingga 2,75 × 10
13
. Potensi permukaan juga meningkat dari 0,49 menjadi 0,576 eV ketika persentase aluminium berubah dari 5 menjadi 50%, lihat Gambar 7b. Dengan demikian, konsentrasi dan energi perangkap donor permukaan bersama dengan konsentrasi aluminium memiliki pengaruh besar pada potensial permukaan.
a Variasi potensial permukaan sehubungan dengan energi perangkap donor permukaan. Pada konsentrasi yang lebih rendah (kurang dari 1e14) tidak ada perubahan potensial permukaan yang signifikan. Konsentrasi donor permukaan di atas 1e13, potensial permukaan berubah secara proporsional dengan energi donor permukaan. b Konsentrasi elektron dalam 2DEG berubah dari 7,79 × 10
11
hingga 2,75 × 10
13
untuk persentase aluminium berubah menjadi 50% dari 5% (garis biru). Potensi permukaan berubah sekitar 0,1 eV dari 5 menjadi 50% persentase aluminium
Pengaruh Persentase Aluminium dan Perangkap Permukaan pada Pita Konduksi dan Sumur Potensial 2DEG
Perangkap permukaan terionisasi menyumbangkan elektron ke sumur potensial dan muatan positif pada permukaan AlGaN [6]. Dalam kasus konsentrasi aluminium 5%, sebagai perangkap masuk jauh dari tingkat energi dangkal, jumlah perangkap permukaan terionisasi menjadi lebih kecil dan lebih kecil. Jadi, perangkap permukaan terionisasi menyumbangkan lebih sedikit elektron ke sumur potensial segitiga dan muatan lembaran positif di permukaan. Jumlah muatan lembaran positif yang lebih sedikit dan konsentrasi elektron dalam 2DEG tidak memberikan kontribusi medan listrik eksternal yang cukup, dan karenanya, kemiringan pita konduksi pada lapisan AlGaN menjadi lebih besar seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6. Hal ini juga berlaku untuk aluminium dengan 10% dalam lapisan penghalang AlGaN. Elektron bebas dari keadaan donor permukaan berada dalam sumur potensial 2DEG, dan mereka menetralkan muatan lembar positif yang muncul di permukaan AlGaN. Muatan lembaran elektron ini dihitung dengan [24]:
dimana d adalah ketebalan Alx Ga(1−x )T lapisan penghalang, ϕb adalah penghalang Schottky, EB adalah tingkat Fermi dan EC adalah offset pita konduksi pada antarmuka AlGaN-GaN. Hal ini terlihat dari Persamaan. (4) bahwa kerapatan muatan lembaran elektron berbanding lurus dengan offset pita konduksi dan muatan polarisasi yang merupakan fungsi dari persentase aluminium. Saat kami meningkatkan persentase aluminium dari 10 menjadi 50%, offset pita konduksi meningkat [25] dan karenanya kerapatan elektron dalam 2DEG meningkat karena peningkatan jumlah tingkat energi, lihat Gbr. 8. Medan listrik internal perangkat, ketika konsentrasi aluminium 20% ke atas, sedemikian rupa sehingga kemiringan pita konduksi cukup tinggi untuk membangun sumur potensial segitiga bahkan untuk energi perangkap permukaan tingkat dalam (1,4 eV) dan konsentrasi perangkap donor permukaan yang lebih rendah seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6b, d .
Kerapatan elektron dalam sumur potensial kuantum segitiga untuk konsentrasi aluminium yang berbeda pada konsentrasi dan energi donor tetap
Penting untuk melihat takik potensial kuantum segitiga yang terbentuk dengan baik di bawah tingkat Fermi ((EF E) eV), di mana E adalah energi di bawah tingkat Fermi. Dua parameter penting dalam sumur potensial kuantum segitiga adalah kedalaman potensial jauh di bawah level Fermi dan lebar sumur potensial di level Fermi. Kurung elektron di daerah dua dimensi disebut lembaran kuantum 2DEG. Kepadatan negara bagian N (E ) adalah salah satu fitur penting dalam sumur potensial kuantum 2DEG. Kepadatan keadaan dalam sumur kuantum dua dimensi didefinisikan sebagai [26]:
dimana m* adalah massa efektif elektron dan LX adalah lebar sumur. Kepadatan keadaan dalam sumur dua dimensi ini terlihat seperti fungsi langkah.
Jumlah negara bagian yang diduduki tergantung pada tingkat Fermi. Misalnya, jika tingkat Fermi lebih tinggi dari E1 tapi kurang dari E2; maka hanya E1 subband diisi. Jika level Fermi di atas E2 , tapi kurang dari E3 , lalu dua subband bawah E2 dan E1 diisi dengan elektron seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 9b. Ini menandakan bahwa jika energi pada antarmuka semakin dalam dengan tingkat Fermi, maka hanya elektron yang diharapkan dalam jumlah besar. Dalam struktur hetero AlGaN/GaN, jarak energi berkurang ((E2 E1 ) > (E3E2 )) untuk subband yang lebih tinggi [27]. Saat energi subband meningkat, perbedaan di antara mereka menjadi tidak berarti dan terlihat kontinu. Solusi tepat dari fungsi gelombang mengandung persamaan Poisson dan persamaan Schrodinger secara bersamaan. Tapi model kepadatan-gradien menghasilkan perkiraan hasil yang sama dengan persamaan Schrodinger. Dalam sumur potensial kuantum, tingkat energi dikuantifikasi karena sumur ini membentuk panjang beberapa nm di sisi GaN dari antarmuka AlGaN-GaN. Takik yang lebih dalam di bawah tingkat Fermi pasti akan memiliki jumlah tingkat energi terukur yang lebih tinggi. Tingkat energi terukur di bawah tingkat Fermi ditempati. Oleh karena itu, semakin dalam energi di bawah tingkat Fermi, konsentrasi elektron akan lebih tinggi di 2DEG. Dari Gambar 9a, jelas bahwa tingkat energi di bawah tingkat Fermi menjadi lebih tinggi ketika persentase aluminium meningkat karena muatan polarisasi meningkat dan dengan demikian medan listrik internal membuat takik semakin dalam. Sejauh menyangkut energi donor permukaan, terbukti dari diskusi sebelumnya bahwa ketika perangkap permukaan masuk lebih dalam (1,4 eV), ionisasi donor permukaan ini berkurang. Oleh karena itu, medan listrik dihasilkan karena muatan lembaran positif di permukaan dan elektron yang disumbangkan oleh donor permukaan ini ke 2DEG tidak cukup untuk mengatasi medan listrik internal. Dengan demikian, efek muatan polarisasi dalam hal medan listrik berkurang, yang mengarah ke tingkat energi yang lebih rendah di bawah tingkat Fermi. Pengecualian untuk konsentrasi aluminium 5%, jelas dari Gambar 10a bahwa nilai EBE negatif karena level Fermi diasumsikan pada level nol, untuk jebakan donor dalam (> 0,9 eV hingga 1,4 eV), yang menandakan bahwa energi E lebih tinggi dari tingkat Fermi (2DEG tidak terbentuk). Untuk perangkap donor permukaan yang lebih dangkal (< 0,9 eV hingga 0,2 eV), nilai EBE adalah positif, yang berarti bahwa nilai E lebih rendah dari tingkat Fermi. Untuk sisa konsentrasi aluminium (10% hingga 50%), nilai EBE adalah positif yang menandakan bahwa nilai E lebih rendah dari level Fermi dan takik 2DEG terbentuk untuk semua jenis energi donor permukaan (dari 0,2 eV hingga 1,4 eV). Terlihat dari Gambar 11a bahwa persentase perubahan energi E dengan aluminium menjadi jenuh melebihi konsentrasi aluminium 20%, yang juga selaras dengan Gbr. 5. Kedalaman takik di bawah tingkat Fermi tidak berubah secara signifikan setelah konsentrasi aluminium 20% ketika donor permukaan menjebak perubahan energi dari dalam ke dangkal. Gambar 11b juga menggambarkan bahwa tidak ada arus yang signifikan hingga 10% fraksi mol aluminium. Di atas 10% ada perubahan signifikan dalam arus ketika energi donor permukaan berubah dari EC 0.2 sampai EC 1,4 eV dan jenuh melebihi 20% lagi. Hasil ini juga selaras dengan Gambar. 11a dan 5. Plot kontur rapat arus absolut juga menunjukkan bahwa ia jenuh di atas 20% fraksi mol Al dan tidak ada rapat arus yang signifikan hingga 10% fraksi mol Al Gambar 12. Ini juga memvalidasi tidak terbentuknya 2DEG hingga 10% Al fraksi mol. Sejumlah besar kerapatan elektron diamati di atas 20% fraksi mol Gambar 13a. Distribusi medan listrik di sepanjang saluran diplot pada Gambar 13b. Gambar 13b menunjukkan bahwa tidak ada peningkatan medan listrik di bawah gerbang hingga 10% fraksi mol Al dan di atas 20% fraksi mol Al, tidak ada banyak perbedaan dalam medan listrik, yang membatasi arus pada persentase Al yang lebih tinggi.
a Potensi segitiga yang menggambarkan energi subband dengan baik dengan Fang–Howard Airy fungsi gelombang. b Hanya subband energi yang lebih rendah (E1 dan E2 , lebih rendah dari level Fermi) ditempati [28]
a –f (EB − E ) variasi dengan energi donor permukaan untuk semua konsentrasi aluminium
a Persentase perubahan energi E dengan konsentrasi aluminium ketika energi donor permukaan berubah dari dalam ke dangkal. b Kuras arus dan VDS = 0.1 V dan VGS = 0 V pada permukaan yang berbeda donor menjebak energi. Hingga 10% tidak ada arus signifikan yang teramati di perangkat
Plot kontur kepadatan arus total absolut untuk energi donor permukaan 0,6 eV pada VDS = 0.1 V dan VGS = 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.
