표면 도너 트랩과 알루미늄 조성이 AlGaN/GaN HEMT의 2DEG 밀도와 표면 전위에 미치는 영향

초록

표면 트랩은 AlGaN/GaN HEMT의 성능에 심대한 영향을 미칩니다. 알루미늄 조성(5-50%)과 표면 도너 트랩 파라미터(농도 10¹¹-10¹⁶ cm⁻², 에너지 0.2-1.4 eV)의 광범위한 범위에서 2DEG 전자 농도를 시뮬레이션함으로써, 도너 트랩이 깊은 준위에서 얕은 준위로 이동할 때 2DEG 밀도가 약 8%에서 포화됨을 입증했습니다. 동시에 페르미 준위 아래 양자 우물의 깊이도 약 2%에서 정체기에 도달합니다. 포괄적인 TCAD 모델링을 통해 얻은 이러한 결과는 전자 수송과 표면 전위 제어가 최적화된 HEMT 설계에 대한 정량적 프레임워크를 제공합니다.

서론

AlGaN/GaN 헤테로구조는 AlGaN-GaN 계면에서 형성되는 고유한 2차원 전자 가스(2DEG) 덕분에 고주파 및 고전력 소자의 초석이 됩니다. 이 2DEG는 AlGaN 배리어의 자발적 및 압전 분극 전하에서 발생하지만, 전도대 아래 ~1.42 eV에서 이온화된 표면 도너 상태가 추가적인 양의 시트 전하를 기여하여 삼각 양자 우물을 안정화하는 데 필수적입니다. 선행 연구들은 표면 트랩을 개별적으로 조사했으나, 트랩 농도, 에너지, 알루미늄 몰 분율이 2DEG 형성에 미치는 복합적 영향은 충분히 탐구되지 않았습니다. 본 연구는 이러한 파라미터들을 체계적으로 변화시키며 표면 전위, 전기장 분포, 2DEG 특성에 미치는 영향을 분석함으로써 이 공백을 메웁니다.

방법론 및 시뮬레이션 설정

모든 시뮬레이션은 Synopsys Sentaurus TCAD L-2016.12로 수행되었으며, 30 nm Al₀.₂₈Ga₀.₇₂N 배리어와 2 µm GaN 버퍼에 대한 실험 데이터로 보정되었습니다(Fig. 1). 소자는 1 µm 쇼트키 게이트, 2.5 µm 비게이트 간격, 150 µm 폭을 가집니다. 분극 전하는 확립된 Al-조성 의존 식 |σ(x)| = |2(a(0)-a(x))/a(x){e₃₁(x)-e₃₃C₁₃(x)/C₃₃(x)}+P_SP(x)-P_SP(0)| (식 1)로 계산되었습니다. 양자 구속은 밀도 기울기 모델로 포착되었으며, Λ 보정항(식 2-3)을 도입했습니다. 표면 도너 상태는 AlGaN 표면에서 양의 시트 전하 σ_D로 모델링되었습니다. 모든 시뮬레이션은 300 K에서 2차원 격자로 실행되어 전체 소자 물리를 포착했습니다.

결과 및 논의

알루미늄 조성과 표면 트랩에 따른 2DEG 밀도

각 Al 조성에서, 2DEG 밀도는 낮은 도너 농도(영역 1)에서 평탄하게 유지됩니다. 트랩 농도가 영역 2로 상승함에 따라 밀도는 선형적으로 증가하다가, 추가적인 트랩 활성화가 2DEG를 더 이상 변화시키지 않는 임계값에 도달합니다. 이는 완전히 이온화된 도너에 의한 페르미 준위 고정을 반영합니다. 더 높은 알루미늄 함량은 내부 분극장을 증폭시켜 임계값을 더 높은 트랩 농도로 이동시키고 선형 영역을 확장합니다. 모든 Al 조성에서, 도너 에너지가 깊은(1.4 eV) 것에서 얕은(0.2 eV) 것으로 변함에 따라 2DEG 밀도가 현저히 증가하지만, 이 효과는 ~30% Al 이상에서 포화됩니다(Fig. 4). 20% Al 이상에서 2DEG 시트 밀도는 1-3 × 10¹³ cm⁻²에 접근합니다.

표면 전위 변조

도너 에너지가 깊어질수록 표면 전위는 선형적으로 감소하여 2DEG 밀도를 높입니다. 도너 농도 > 10¹³ cm⁻²에서 전위는 도너 에너지에 비례하여 변합니다(Fig. 7a). Al 조성을 5%에서 50%로 증가시키면 2DEG 밀도가 7.8 × 10¹¹ cm⁻²에서 2.75 × 10¹³ cm⁻²로 증가하는 반면, 표면 전위는 ~0.1 eV 이동합니다(Fig. 7b). 이러한 추세는 트랩 특성과 Al 함량이 공동으로 표면 전위를 결정함을 확인시켜 줍니다.

전도대 프로파일 및 양자 우물 깊이

알루미늄 농축은 전도대 오프셋과 분극 전하를 증가시켜 AlGaN 층에서 밴드 기울기를 가파르게 만듭니다. Al ≥ 20%에서 전도대는 깊은 도너 트랩에서도 페르미 준위 아래로 충분히 굽혀져 견고한 삼각 우물을 형성합니다. E_F - E로 정량화된 우물의 깊이는 20% Al 이후 포화되며, 관측된 2DEG 밀도 정체기와 일치합니다(Fig. 9-11). 드레인-소스 전류 시뮬레이션은 이를 뒷받침하며, Al ≤ 10%에서는 무시할 만한 전류가, 20% 이상에서는 유의미한 전도가 나타납니다(Fig. 12-13).

결론

포괄적인 TCAD 연구를 통해 표면 도너 트랩과 알루미늄 조성의 상호작용이 AlGaN/GaN HEMT의 2DEG 밀도, 표면 전위, 양자 우물 깊이를 결정적으로 형성함을 밝혀냈습니다. 2DEG 밀도는 ~8%에서, 우물 깊이는 ~2%에서 20% Al 이후 안정화되며, 5% Al은 깊은 트랩에 대해 2DEG를 지원하지 못합니다. 이러한 통찰은 맞춤형 전자 수송 특성을 가진 HEMT 엔지니어링의 견고한 기반을 제공합니다.

데이터 가용성

이 결과를 뒷받침하는 모든 데이터는 요청 시 제공 가능합니다.

약어

• GaN – 질화 갈륨
• HEMT – 고전자 이동도 트랜지스터
• 2DEG – 2차원 전자 가스
• DD – 드리프트 및 확산 수송 모델
• SRH – 쇼클리-리드-홀 재결합 모델