表面施主陷阱与铝组分对AlGaN/GaN HEMT二维电子气密度及表面势的影响

摘要

表面陷阱深刻影响AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）性能。通过在宽范围铝组分（5-50%）和表面施主陷阱参数（浓度10¹¹-10¹⁶ cm⁻²，能量0.2-1.4 eV）下模拟二维电子气（2DEG）电子浓度，我们证实：当施主陷阱从深能级转变为浅能级时，2DEG密度在约8%铝组分处趋于饱和；同时，费米能级下量子阱深度在约2%铝组分处达到平台期。基于全面的TCAD建模获得的这些结果，为设计具有优化电子传输和表面势控制的HEMT提供了定量框架。

引言

AlGaN/GaN异质结构因其在AlGaN-GaN界面形成的固有二维电子气（2DEG），成为高频和高功率器件的基石。这种2DEG源于AlGaN势垒中的自发极化和压电极化电荷，但表面施主态（位于导带底以下约1.42 eV处）电离后提供额外的正面电荷，对稳定三角量子阱至关重要。先前研究孤立地考察了表面陷阱，但陷阱浓度、能量和铝摩尔分数对2DEG形成的综合影响仍缺乏系统探索。本工作通过系统变化这些参数，分析其对表面势、电场分布和2DEG特性的影响，填补了这一空白。

方法学与仿真设置

所有仿真基于Synopsys Sentaurus TCAD L-2016.12进行，并针对30 nm Al₀.₂₈Ga₀.₇₂N势垒/2 µm GaN缓冲层结构经实验数据校准（图1）。器件特征包括1 µm肖特基栅极、2.5 µm非栅区间距和150 µm宽度。极化电荷采用依赖铝组分的公式计算（公式1）。量子限域效应通过密度梯度模型捕获，引入Λ修正项（公式2-3）。表面施主态建模为AlGaN表面的正面电荷σ_D。所有仿真在300 K下运行，采用二维网格以捕捉完整器件物理。

结果与讨论

2DEG密度随铝组分与表面陷阱的变化

在各铝组分下，低施主浓度时（区域1）2DEG密度保持平坦。随着陷阱浓度进入区域2，密度线性增加，直到达到阈值，进一步激活陷阱不再改变2DEG——这反映了完全电离施主钉扎费米能级。更高铝含量增强内部极化场，将阈值推向更高陷阱浓度，延长线性区。跨所有铝组分，施主能量从深（1.4 eV）转变为浅（0.2 eV）显著增加2DEG密度，但此效应在约30%铝组分后饱和（图4）。在20%以上铝组分时，2DEG面密度接近1-3×10¹³ cm⁻²。

表面势调制

随着施主能量加深，表面势线性降低，从而提高2DEG密度。当施主浓度>10¹³ cm⁻²时，表面势随施主能量成比例变化（图7a）。铝组分从5%增加到50%，2DEG密度从7.8×10¹¹ cm⁻²增至2.75×10¹³ cm⁻²，表面势位移约0.1 eV（图7b）。这些趋势证实陷阱特性和铝含量共同决定表面势。

导带廓线与量子阱深度

铝富集增加导带偏移和极化电荷，使AlGaN层能带坡度陡峭。当Al≥20%时，导带充分弯曲至费米能级以下，即使深施主陷阱也能形成稳健的三角量子阱。阱深（E_F - E）在20%铝组分后饱和，与观测到的2DEG密度平台期一致（图9-11）。漏源电流仿真佐证此点：Al≤10%时电流可忽略，Al>20%时显著导通（图12-13）。

结论

本全面TCAD研究揭示，表面施主陷阱与铝组分的相互作用关键地塑造了AlGaN/GaN HEMT的2DEG密度、表面势和量子阱深度。2DEG密度在约8%铝组分稳定，阱深在约2%稳定，而5%铝组分无法支持深陷阱下的2DEG形成。这些洞见为设计具有定制电子传输性能的HEMT奠定了坚实基础。

数据可用性

支撑这些结果的所有数据可应要求提供。

缩略语

• GaN – 氮化镓
• HEMT – 高电子迁移率晶体管
• 2DEG – 二维电子气
• DD – 漂移扩散输运模型
• SRH – 肖克利-里德-霍尔复合模型