Dampak Jebakan Donor Permukaan dan Komposisi Aluminium pada Kepadatan 2DEG dan Potensial Permukaan HEMT AlGaN/GaN

Abstrak

Jebakan permukaan sangat mempengaruhi performa HEMT AlGaN/GaN. Dengan mensimulasikan konsentrasi elektron 2DEG di seluruh rentang fraksi aluminium (5–50 %) dan parameter jebakan donor permukaan (konsentrasi 10¹¹–10¹⁶ cm⁻², energi 0,2–1,4 eV), kami menunjukkan bahwa kepadatan 2DEG menyatur pada sekitar 8 % saat jebakan donor berubah dari dalam ke dangkal. Secara bersamaan, kedalaman sumur kuantum di bawah tingkat Fermi mencapai plat forming sekitar 2 %. Hasil ini, yang diperoleh melalui pemodelan TCAD komprehensif, menyediakan kerangka kerja kuantitatif untuk merancang HEMT dengan transport elektron yang dioptimalkan dan kontrol potensial permukaan.

Pendahuluan

Heterostruktur AlGaN/GaN adalah sumbu tengkorak dari perangkat frekuensi tinggi dan daya tinggi karena gas elektron dua dimensi (2DEG) intrinsik yang terbentuk di antarmuka AlGaN–GaN. 2DEG ini timbul dari muatan polarisasi spontan dan piezoelektrik dalam lapisan barrier AlGaN, namun status donor permukaan—terjonisasi pada sekitar 1,42 eV di bawah pangkonduksi—menyumbangkan muatan lapis positif tambahan yang penting untuk stabilisasi sumur kuantum segitiga. Studi sebelumnya telah memeriksa jebakan permukaan secara terpisah, namun pengaruh gabungan konsentrasi jebakan, energi, dan fraksi mol aluminium terhadap pembentukan 2DEG masih kurang dieksplorasi. Karya ini mengatasi kesenjangan tersebut dengan secara sistematis memvariasi parameter ini dan menganalisis efeknya pada potensial permukaan, distribusi medan listrik, dan karakteristik 2DEG.

Metodologi dan Pengaturan Simulasi

Semua simulasi dilakukan dengan Synopsys Sentaurus TCAD L‑2016.12, dikalibrasi terhadap data eksperimental untuk lapisan barrier Al₀.₂₈Ga₀.₇₂N tebal 30 nm pada buffer GaN tebal 2 µm (Gambar 1). Perangkat memiliki gate Schottky 1 µm, jarak ungated 2,5 µm, dan lebar 150 µm. Muatan polarisasi dihitung menggunakan ekspresi yang ditetapkan bergantung pada fraksi Al |σ(x)| = |2(a(0)−a(x))/a(x){e₃₁(x)−e₃₃C₁₃(x)/C₃₃(x)}+P_SP(x)−P_SP(0)| (Eq. 1). Penahanan kuantum ditangkap melalui model gradien densitas, memperkenalkan istilah koreksi Λ (Eq. 2‑3). Status donor permukaan dimodelkan sebagai muatan lapis positif σ_D di permukaan AlGaN. Semua simulasi berjalan pada 300 K dengan grid 2 dimensi untuk menangkap fisika perangkat lengkap.

Hasil dan Pembahasan

Kepadatan 2DEG versus Fraksi Aluminium dan Jebakan Permukaan

Untuk setiap fraksi Al, kepadatan 2DEG tetap datar pada konsentrasi donor rendah (Wilayah 1). Saat konsentrasi jebakan naik ke Wilayah 2, kepadatan meningkat linier hingga ambang di mana aktivasi jebakan lebih lanjut tidak mengubah 2DEG—ini mencerminkan peminatan tingkat Fermi oleh donor yang terjonisasi sepenuhnya. Konten aluminium yang lebih tinggi memperkuat medan polarisasi internal, menggeser ambang ke konsentrasi jebakan yang lebih tinggi dan memperpanjang regime linier. Di seluruh fraksi Al, transisi dari energi donor dalam (1,4 eV) ke dangkal (0,2 eV) menghasilkan peningkatan yang mencolok dalam kepadatan 2DEG, namun efek ini menyatur di atas sekitar 30 % Al (Gambar 4). Pada 20 % Al dan di atasnya, kepadatan lapis 2DEG mendekati 1–3 × 10¹³ cm⁻².

Modulasi Potensial Permukaan

Potensial permukaan menurun linier seiring dengan kedalaman energi donor, sehingga meningkatkan kepadatan 2DEG. Untuk konsentrasi donor > 10¹³ cm⁻², potensial bervariasi proporsional dengan energi donor (Gambar 7a). Peningkatan fraksi Al dari 5 % ke 50 % meningkatkan kepadatan 2DEG dari 7,8 × 10¹¹ cm⁻² ke 2,75 × 10¹³ cm⁻², sementara potensial permukaan bergeser sekitar 0,1 eV (Gambar 7b). Tren ini mengonfirmasi bahwa karakteristik jebakan dan konten AL bersama-sama menentukan potensial permukaan.

Profil Pangkonduksi dan Kedalaman Sumur Kuantum

Pengayaan aluminium meningkatkan offset pangkonduksi dan muatan polarisasi, menjurangkan kemiringan band dalam lapisan AlGaN. Untuk Al ≥ 20 %, pangkonduksi membengkok cukup di bawah tingkat Fermi untuk membentuk sumur kuantum segitiga yang kokoh bahkan untuk jebakan donor dalam. Kedalaman sumur, diukur oleh E_F − E, menyatur setelah 20 % Al, sesuai dengan plat forming yang diamati dalam kepadatan 2DEG (Gambar 9‑11). Simulasi arus drain-source mengonfirmasi hal ini, menunjukkan arus yang tidak signifikan untuk Al ≤ 10 % dan konduksi yang signifikan di atas 20 % (Gambar 12‑13).

Kesimpulan

Studi TCAD komprehensif kami mengungkapkan bahwa interaksi antara jebakan donor permukaan dan komposisi aluminium secara krusial membentuk kepadatan 2DEG, potensial permukaan, dan kedalaman sumur kuantum dalam HEMT AlGaN/GaN. Kepadatan 2DEG stabil pada sekitar 8 % dan kedalaman sumur pada sekitar 2 % di atas 20 % Al, sedangkan 5 % Al gagal mendukung 2DEG untuk jebakan dalam. Wawasan ini memberikan dasar yang kuat untuk merancang HEMT dengan properti transport elektron yang disesuaikan.

Ketersediaan Data

Semua data yang mendasari hasil ini tersedia atas permintaan.

Singkatan

• GaN – Nitra galium
• HEMT – Transistor mobilitas elektron tinggi
• 2DEG – Gas elektron dua dimensi
• DD – Model transport drift dan difusi
• SRH – Model rekombinasi Shockley–Read–Hall