Impacto de trampas donadoras superficiales y composición de aluminio en la densidad 2DEG y potencial superficial en HEMTs AlGaN/GaN

Resumen

Las trampas superficiales influyen profundamente en el rendimiento de los HEMTs AlGaN/GaN. Al simular la concentración de electrones 2DEG en un amplio rango de fracciones de aluminio (5-50 %) y parámetros de trampas donadoras superficiales (concentración 10¹¹-10¹⁶ cm⁻², energía 0,2-1,4 eV), demostramos que la densidad 2DEG se satura aproximadamente en el 8 % cuando las trampas donadoras cambian de profundas a someras. Concurrentemente, la profundidad del pozo cuántico por debajo del nivel de Fermi alcanza una meseta de aproximadamente el 2 %. Estos resultados, obtenidos mediante modelado TCAD exhaustivo, proporcionan un marco cuantitativo para diseñar HEMTs con transporte de electrones y control de potencial superficial optimizados.

Introducción

Las heteroestructuras AlGaN/GaN son la piedra angular de dispositivos de alta frecuencia y alta potencia debido a su gas de electrones bidimensional (2DEG) intrínseco formado en la interfaz AlGaN-GaN. Este 2DEG surge de las cargas de polarización espontánea y piezoeléctrica en la barrera AlGaN, pero los estados donadores superficiales -ionizados a ~1,42 eV por debajo de la banda de conducción- contribuyen con una carga de hoja positiva adicional que es esencial para estabilizar el pozo cuántico triangular. Estudios previos han examinado las trampas superficiales de forma aislada, pero la influencia combinada de la concentración de trampas, energía y fracción molar de aluminio en la formación del 2DEG permanece poco explorada. Este trabajo aborda esa brecha variando sistemáticamente estos parámetros y analizando sus efectos en el potencial superficial, distribución de campo eléctrico y características del 2DEG.

Metodología y Configuración de Simulación

Todas las simulaciones se realizaron con Synopsys Sentaurus TCAD L-2016.12, calibrado contra datos experimentales para una barrera Al₀.₂₈Ga₀.₇₂N de 30 nm sobre un búfer GaN de 2 µm (Fig. 1). El dispositivo presenta una compuerta Schottky de 1 µm, espaciado sin compuerta de 2,5 µm y ancho de 150 µm. La carga de polarización se calculó usando la expresión dependiente de la fracción Al |σ(x)| = |2(a(0)-a(x))/a(x){e₃₁(x)-e₃₃C₁₃(x)/C₃₃(x)}+P_SP(x)-P_SP(0)| (Ec. 1). El confinamiento cuántico se capturó mediante el modelo de gradiente de densidad, introduciendo el término de corrección Λ (Ec. 2-3). Los estados donadores superficiales se modelaron como una carga de hoja positiva σ_D en la superficie AlGaN. Todas las simulaciones corrieron a 300 K con una cuadrícula 2-dimensional para capturar la física completa del dispositivo.

Resultados y Discusión

Densidad 2DEG versus Fracción de Aluminio y Trampas Superficiales

Para cada fracción Al, la densidad 2DEG permanece plana a bajas concentraciones de donadores (Región 1). A medida que la concentración de trampas aumenta en la Región 2, la densidad aumenta linealmente hasta un umbral donde una mayor activación de trampas no altera el 2DEG, lo que refleja el anclaje del nivel de Fermi por donadores completamente ionizados. Un mayor contenido de aluminio amplifica el campo de polarización interno, desplazando el umbral a concentraciones de trampas más altas y extendiendo el régimen lineal. En todas las fracciones Al, la transición de energía donadora profunda (1,4 eV) a somera (0,2 eV) produce un aumento pronunciado en la densidad 2DEG, pero este efecto se satura más allá del ~30 % Al (Fig. 4). Al 20 % Al y superior, la densidad de hoja 2DEG se acerca a 1-3 × 10¹³ cm⁻².

Modulación del Potencial Superficial

El potencial superficial disminuye linealmente a medida que la energía donadora se profundiza, aumentando así la densidad 2DEG. Para concentraciones de donadores > 10¹³ cm⁻², el potencial varía proporcionalmente con la energía donadora (Fig. 7a). Aumentar la fracción Al del 5 % al 50 % eleva la densidad 2DEG de 7,8 × 10¹¹ cm⁻² a 2,75 × 10¹³ cm⁻², mientras el potencial superficial se desplaza ~0,1 eV (Fig. 7b). Estas tendencias confirman que tanto las características de trampas como el contenido de Al dictan conjuntamente el potencial superficial.

Perfil de Banda de Conducción y Profundidad del Pozo Cuántico

El enriquecimiento de aluminio aumenta el desfase de banda de conducción y la carga de polarización, empinando la pendiente de banda en la capa AlGaN. Para Al ≥ 20 %, la banda de conducción se curva lo suficiente por debajo del nivel de Fermi para formar un pozo triangular robusto incluso para trampas donadoras profundas. La profundidad del pozo, cuantificada por E_F - E, se satura después del 20 % Al, alineándose con la meseta observada en la densidad 2DEG (Fig. 9-11). Las simulaciones de corriente drenaje-fuente corroboran esto, mostrando corriente despreciable para Al ≤ 10 % y conducción significativa por encima del 20 % (Fig. 12-13).

Conclusiones

Nuestro estudio TCAD exhaustivo revela que la interacción entre trampas donadoras superficiales y composición de aluminio moldea críticamente la densidad 2DEG, potencial superficial y profundidad del pozo cuántico en HEMTs AlGaN/GaN. La densidad 2DEG se estabiliza en ~8 % y la profundidad del pozo en ~2 % más allá del 20 % Al, mientras que el 5 % Al no logra sostener un 2DEG para trampas profundas. Estos insights proporcionan una base sólida para diseñar HEMTs con propiedades de transporte de electrones a medida.

Disponibilidad de Datos

Todos los datos subyacentes a estos resultados están disponibles bajo petición.

Abreviaturas

• GaN – Nitruro de galio
• HEMT – Transistor de alta movilidad de electrones
• 2DEG – Gas de electrones bidimensional
• DD – Modelo de transporte deriva-difusión
• SRH – Modelo de recombinación Shockley-Read-Hall