表面ドナートラップとAl組成がAlGaN/GaN HEMTの2DEG密度と表面ポテンシャルに及ぼす影響

要旨

表面トラップはAlGaN/GaN HEMTの性能に深く影響する。アルミニウム組成比（5-50%）と表面ドナートラップパラメータ（濃度10¹¹-10¹⁶ cm⁻²、エネルギー0.2-1.4 eV）の広範囲にわたる2DEG電子濃度をシミュレーションすることで、ドナートラップが深準位から浅準位へシフトすると2DEG密度が約8%で飽和し、同時にフェルミ準位から見た量子井戸の深さが約2%でプラトーに達することを示した。これらの結果は包括的なTCADモデリングにより得られ、電子輸送と表面ポテンシャル制御を最適化したHEMT設計のための定量的フレームワークを提供する。

はじめに

AlGaN/GaNヘテロ構造は、AlGaN-GaN界面に形成される固有の二次元電子ガス（2DEG）により、高周波・高出力デバイスの基盤となっている。この2DEGはAlGaNバリアの自発分極と圧電分極電荷に起因するが、伝導帯から約1.42 eV下方にある表面ドナー状態（イオン化済み）が追加の正シート電荷を供給し、三角量子井戸の安定化に不可欠である。従来の研究では表面トラップが個別に検討されてきたが、トラップ濃度、エネルギー、アルミニウムモル分率が2DEG形成に及ぼす複合的影響は十分に探究されていない。本研究ではこれらのパラメータを体系的に変化させ、表面ポテンシャル、電界分布、2DEG特性への影響を解析することでこのギャップを埋める。

方法論とシミュレーション設定

全シミュレーションはSynopsys Sentaurus TCAD L-2016.12を用い、30 nm Al₀.₂₈Ga₀.₇₂Nバリア／2 µm GaNバッファ構造の実験データに対してキャリブレーションを行った（図1）。デバイスは1 µmショットキーゲート、2.5 µm非ゲート領域、150 µm幅を持つ。分極電荷はAl組成依存の既知の式（式1）で計算。量子閉じ込め効果は密度勾配モデルによりΛ補正項（式2-3）を導入して考慮。表面ドナー状態はAlGaN表面の正シート電荷σ_Dとしてモデル化。全シミュレーションは300 K、2次元グリッドで実施し、デバイス物理を完全に捉えた。

結果と考察

アルミニウム組成と表面トラップに対する2DEG密度

各Al組成において、低ドナー濃度領域（領域1）では2DEG密度は一定である。トラップ濃度が上昇して領域2に入ると密度は線形に増加するが、さらにトラップが活性化しても2DEGが変化しなくなる閾値が存在する。これは完全にイオン化したドナーによるフェルミ準位ピン留めを反映している。Al含有率が高いほど内部分極場が強まり、閾値がより高いトラップ濃度へシフトし、線形領域が延長される。全Al組成において、ドナーエネルギーが深準位（1.4 eV）から浅準位（0.2 eV）へ変化すると2DEG密度が顕著に増加するが、この効果は約30% Al以上で飽和する（図4）。20% Al以上では2DEGシート密度は1-3×10¹³ cm⁻²に達する。

表面ポテンシャルの変調

ドナーエネルギーが深くなるにつれ表面ポテンシャルは線形に低下し、これにより2DEG密度が上昇する。ドナー濃度>10¹³ cm⁻²では、ポテンシャルはドナーエネルギーに比例して変化する（図7a）。Al組成を5%から50%へ増加させると、2DEG密度は7.8×10¹¹ cm⁻²から2.75×10¹³ cm⁻²へ上昇し、表面ポテンシャルは約0.1 eVシフトする（図7b）。これらの傾向は、トラップ特性とAl含有量が共同で表面ポテンシャルを決定することを確認している。

伝導帯プロファイルと量子井戸深さ

Alリッチ化により伝導帯オフセットと分極電荷が増大し、AlGaN層内のバンド傾斜が急になる。Al≥20%では伝導帯がフェルミ準位より十分下方に曲がり、深いドナートラップでも頑健な三角井戸が形成される。井戸の深さ（E_F - Eで定量化）は20% Al以降で飽和し、観測された2DEG密度のプラトーと整合する（図9-11）。ドレイン-ソース電流シミュレーションもこれを裏付け、Al≤10%では電流が無視でき、20%以上で顕著な伝導が現れる（図12-13）。

結論

本包括的TCAD研究により、表面ドナートラップとアルミニウム組成の相互作用がAlGaN/GaN HEMTの2DEG密度、表面ポテンシャル、量子井戸深さを決定的に形成することが明らかとなった。2DEG密度は約8%、井戸深さは約2%で20% Al以降安定し、5% Alでは深いトラップ存在下で2DEGを支持できない。これらの知見は、電子輸送特性を調整したHEMT設計の確固たる基盤を提供する。

データの入手可能性

本結果の基盤となるすべてのデータは要請に応じて提供可能。

略語

• GaN - 窒化ガリウム
• HEMT - 高電子移動度トランジスタ
• 2DEG - 二次元電子ガス
• DD - ドリフト・拡散輸送モデル
• SRH - ショックリー・リード・ホール再結合モデル