Einfluss von Oberflächen-Donor-Fallen und Aluminiumgehalt auf 2DEG-Dichte und Oberflächenpotenzial in AlGaN/GaN-HEMTs

Abstract

Oberflächenfallen beeinflussen die Leistung von AlGaN/GaN-HEMTs maßgeblich. Durch Simulation der 2DEG-Elektronenkonzentration über einen weiten Bereich von Aluminiumbrüchen (5–50 %) und Parametern von Oberflächen-Donor-Fallen (Konzentration 10¹¹–10¹⁶ cm⁻², Energie 0,2–1,4 eV) zeigen wir, dass die 2DEG-Dichte bei etwa 8 % sättigt, wenn Donor-Fallen von tief nach flach wechseln. Gleichzeitig erreicht die Tiefe des Quantenbrunnens unter dem Fermi-Niveau ein Plateau von etwa 2 %. Diese Ergebnisse, gewonnen durch umfassende TCAD-Modellierung, bieten einen quantitativen Rahmen für das Design von HEMTs mit optimiertem Elektronentransport und Oberflächenpotenzialkontrolle.

Einleitung

AlGaN/GaN-Heterostrukturen bilden das Fundament für Hochfrequenz- und Hochleistungsbauelemente aufgrund ihres intrinsischen zweidimensionalen Elektronengases (2DEG) an der AlGaN-GaN-Grenzfläche. Dieses 2DEG entsteht durch spontane und piezoelektrische Polarisationsladungen in der AlGaN-Barriere, doch Oberflächen-Donor-Zustände – ionisiert bei ~1,42 eV unterhalb des Leitungsbandes – liefern zusätzliche positive Flächenladung, die für die Stabilisierung des dreieckigen Quantenbrunnens essenziell ist. Bisherige Studien untersuchten Oberflächenfallen isoliert, doch der kombinierte Einfluss von Fallenkonzentration, Energie und Aluminium-Molchenbruch auf die 2DEG-Bildung blieb unerforscht. Diese Arbeit schließt diese Lücke durch systematische Variation dieser Parameter und Analyse ihrer Auswirkungen auf Oberflächenpotenzial, elektrisches Feldverteilung und 2DEG-Eigenschaften.

Methodik und Simulationsaufbau

Alle Simulationen wurden mit Synopsys Sentaurus TCAD L‑2016.12 durchgeführt, kalibriert an experimentellen Daten für eine 30 nm Al₀.₂₈Ga₀.₇₂N-Barriere auf einem 2 µm GaN-Puffer (Abb. 1). Das Bauelement besitzt ein 1 µm Schottky-Gate, 2,5 µm ungated Abstand und 150 µm Breite. Die Polarisationsladung wurde mittels des etablierten Al-Bruch-abhängigen Ausdrucks berechnet (Gleichung 1). Quantenconfinement wurde über das Dichtegradientenmodell mit Λ-Korrekturterm erfasst (Gleichungen 2–3). Oberflächen-Donor-Zustände wurden als positive Flächenladung σ_D an der AlGaN-Oberfläche modelliert. Alle Simulationen liefen bei 300 K mit einem 2-dimensionalen Gitter, um die vollständige Bauelementphysik abzubilden.

Ergebnisse und Diskussion

2DEG-Dichte in Abhängigkeit von Aluminiumbruch und Oberflächenfallen

Für jeden Al-Bruch bleibt die 2DEG-Dichte bei niedrigen Donorkonzentrationen konstant (Bereich 1). Mit steigender Fallenkonzentration (Bereich 2) steigt die Dichte linear an, bis ein Schwellenwert erreicht ist, ab dem weitere Fallenaktivierung die 2DEG nicht mehr verändert – dies spiegelt Fermi-Niveau-Pinning durch vollständig ionisierte Donoren wider. Höherer Aluminiumgehalt verstärkt das interne Polarisationsfeld, verschiebt den Schwellenwert zu höheren Fallenkonzentrationen und erweitert das lineare Regime. Über alle Al-Brüche hinweg führt der Übergang von tiefen (1,4 eV) zu flachen (0,2 eV) Donorenergien zu einem deutlichen Anstieg der 2DEG-Dichte, doch dieser Effekt sättigt jenseits von ~30 % Al (Abb. 4). Ab 20 % Al nähert sich die 2DEG-Flächenladung 1–3 × 10¹³ cm⁻².

Modulation des Oberflächenpotenzials

Das Oberflächenpotenzial sinkt linear, wenn die Donorenergie tiefer wird, wodurch die 2DEG-Dichte steigt. Für Donorkonzentrationen > 10¹³ cm⁻² variiert das Potential proportional zur Donorenergie (Abb. 7a). Eine Erhöhung des Al-Bruchs von 5 % auf 50 % steigert die 2DEG-Dichte von 7,8 × 10¹¹ cm⁻² auf 2,75 × 10¹³ cm⁻², während sich das Oberflächenpotenzial um ~0,1 eV verschiebt (Abb. 7b). Diese Trends bestätigen, dass sowohl Falleneigenschaften als auch Al-Gehalt das Oberflächenpotenzial gemeinsam bestimmen.

Leitungsbandprofil und Quantenbrunnentiefe

Aluminiumanreicherung erhöht den Leitungsbandoffset und die Polarisationsladung, was die Bandbiegung in der AlGaN-Schicht verschärft. Für Al ≥ 20 % biegt sich das Leitungsband ausreichend unterhalb des Fermi-Niveaus, um einen robusten dreieckigen Quantenbrunnen auch für tiefe Donorfallen zu bilden. Die Brunnentiefe, quantifiziert durch E_F − E, sättigt nach 20 % Al, was mit dem beobachteten Plateau der 2DEG-Dichte korreliert (Abb. 9–11). Drain-Source-Stromsimulationen bestätigen dies: vernachlässigbarer Strom für Al ≤ 10 %, signifikante Leitfähigkeit oberhalb von 20 % (Abb. 12–13).

Fazit

Unsere umfassende TCAD-Studie zeigt, dass das Zusammenspiel zwischen Oberflächen-Donor-Fallen und Aluminiumzusammensetzung die 2DEG-Dichte, das Oberflächenpotenzial und die Quantenbrunnentiefe in AlGaN/GaN-HEMTs kritisch prägt. Die 2DEG-Dichte stabilisiert sich bei ~8 % und die Brunnentiefe bei ~2 % jenseits von 20 % Al, während 5 % Al für tiefe Fallen kein 2DEG unterstützt. Diese Erkenntnisse bieten eine solide Grundlage für das Engineering von HEMTs mit maßgeschneiderten Elektronentransporteigenschaften.

Datenverfügbarkeit

Alle Daten, die diesen Ergebnissen zugrunde liegen, sind auf Anfrage erhältlich.

Abkürzungen

• GaN – Galliumnitrid
• HEMT – High‑electron‑mobility transistor
• 2DEG – Zweidimensionales Elektronengas
• DD – Drift-Diffusions-Transportmodell
• SRH – Shockley-Read-Hall-Rekombinationsmodell