Impact des pièges donneurs de surface et de la composition en aluminium sur la densité 2DEG et le potentiel de surface dans les HEMTs AlGaN/GaN

Résumé

Les pièges de surface influencent profondément les performances des HEMTs AlGaN/GaN. En simulant la concentration d'électrons 2DEG sur une large gamme de fractions d'aluminium (5–50 %) et de paramètres de pièges donneurs de surface (concentration 10¹¹–10¹⁶ cm⁻², énergie 0,2–1,4 eV), nous démontrons que la densité 2DEG se sature autour de 8 % lorsque les pièges donneurs passent de profonds à peu profonds. Simultanément, la profondeur du puits quantique sous le niveau de Fermi atteint un plateau d'environ 2 %. Ces résultats, obtenus par modélisation TCAD complète, fournissent un cadre quantitatif pour concevoir des HEMTs avec un transport d'électrons et un contrôle du potentiel de surface optimisés.

Introduction

Les hétérostructures AlGaN/GaN sont la pierre angulaire des dispositifs haute fréquence et haute puissance en raison de leur gaz d'électrons bidimensionnel (2DEG) intrinsèque formé à l'interface AlGaN–GaN. Ce 2DEG résulte des charges de polarisation spontanée et piézoélectrique dans la barrière AlGaN, mais les états donneurs de surface — ionisés à ~1,42 eV sous la bande de conduction — contribuent à une charge de surface positive supplémentaire essentielle pour stabiliser le puits quantique triangulaire. Des études antérieures ont examiné les pièges de surface isolément, mais l'influence combinée de la concentration des pièges, de leur énergie et de la fraction molaire d'aluminium sur la formation du 2DEG reste sous-explorée. Ce travail comble cette lacune en variant systématiquement ces paramètres et en analysant leurs effets sur le potentiel de surface, la distribution du champ électrique et les caractéristiques du 2DEG.

Méthodologie et Configuration de Simulation

Toutes les simulations ont été effectuées avec Synopsys Sentaurus TCAD L‑2016.12, calibré contre des données expérimentales pour une barrière Al₀,₂₈Ga₀,₇₂N de 30 nm sur un tampon GaN de 2 µm (Figure 1). Le dispositif comporte une grille Schottky de 1 µm, un espacement non grillé de 2,5 µm et une largeur de 150 µm. La charge de polarisation a été calculée à l'aide de l'expression dépendante de la fraction Al établie |σ(x)| = |2(a(0)−a(x))/a(x){e₃₁(x)−e₃₃C₁₃(x)/C₃₃(x)}+P_SP(x)−P_SP(0)| (Éq. 1). Le confinement quantique a été capturé via le modèle de gradient de densité, introduisant le terme de correction Λ (Éq. 2‑3). Les états donneurs de surface ont été modélisés comme une charge de surface positive σ_D à la surface de l'AlGaN. Toutes les simulations ont été exécutées à 300 K avec une grille 2‑dimensionnelle pour capturer la physique complète du dispositif.

Résultats et Discussion

Densité 2DEG versus Fraction d'Aluminium et Pièges de Surface

Pour chaque fraction Al, la densité 2DEG reste plate à faibles concentrations de donneurs (Région 1). À mesure que la concentration de pièges augmente dans la Région 2, la densité augmente linéairement jusqu'à un seuil où une activation supplémentaire des pièges n'altère plus le 2DEG — cela reflète le pincement du niveau de Fermi par des donneurs pleinement ionisés. Une teneur en aluminium plus élevée amplifie le champ de polarisation interne, déplaçant le seuil vers des concentrations de pièges plus élevées et prolongeant le régime linéaire. Pour toutes les fractions Al, la transition de l'énergie du donneur profonde (1,4 eV) à peu profonde (0,2 eV) produit une augmentation marquée de la densité 2DEG, mais cet effet sature au-delà de ~30 % Al (Figure 4). À 20 % Al et plus, la densité de surface 2DEG approche 1–3 × 10¹³ cm⁻².

Modulation du Potentiel de Surface

Le potentiel de surface diminue linéairement à mesure que l'énergie du donneur s'approfondit, augmentant ainsi la densité 2DEG. Pour des concentrations de donneurs > 10¹³ cm⁻², le potentiel varie proportionnellement à l'énergie du donneur (Figure 7a). L'augmentation de la fraction Al de 5 % à 50 % élève la densité 2DEG de 7,8 × 10¹¹ cm⁻² à 2,75 × 10¹³ cm⁻², tandis que le potentiel de surface se déplace d'environ 0,1 eV (Figure 7b). Ces tendances confirment que les caractéristiques des pièges et la teneur en Al dictent conjointement le potentiel de surface.

Profil de la Bande de Conduction et Profondeur du Puits Quantique

L'enrichissement en aluminium augmente le décalage de la bande de conduction et la charge de polarisation, raidisissant la pente de la bande dans la couche AlGaN. Pour Al ≥ 20 %, la bande de conduction se courbe suffisamment sous le niveau de Fermi pour former un puits triangulaire robuste même pour des pièges donneurs profonds. La profondeur du puits, quantifiée par E_F − E, sature après 20 % Al, s'alignant avec le plateau observé dans la densité 2DEG (Figures 9‑11). Les simulations de courant drain-source corroborent cela, montrant un courant négligeable pour Al ≤ 10 % et une conduction significative au-dessus de 20 % (Figures 12‑13).

Conclusion

Notre étude TCAD complète révèle que l'interaction entre les pièges donneurs de surface et la composition en aluminium façonne critique la densité 2DEG, le potentiel de surface et la profondeur du puits quantique dans les HEMTs AlGaN/GaN. La densité 2DEG se stabilise à ~8 % et la profondeur du puits à ~2 % au-delà de 20 % Al, tandis que 5 % Al ne parvient pas à supporter un 2DEG pour des pièges profonds. Ces insights fournissent une base solide pour l'ingénierie de HEMTs avec des propriétés de transport d'électrons sur mesure.

Disponibilité des Données

Toutes les données sous-jacentes à ces résultats sont disponibles sur demande.

Abréviations

• GaN – Nitrite de gallium
• HEMT – Transistor à haute mobilité électronique
• 2DEG – Gaz d'électrons bidimensionnel
• DD – Modèle de transport dérive-diffusion
• SRH – Modèle de recombinaison Shockley–Read–Hall