p-GaN HEMT在低温环境下缓冲陷阱对二维电子气密度与栅极漏电流的建模分析

《Micro and Nanostructures》：Analytical modeling of buffer trap effects on 2DEG density and gate leakage current in p-GaN HEMT at cryogenic temperatures

本文创新性地建立了首个p-GaN/AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）在低温条件下的缓冲陷阱物理模型，通过自洽求解薛定谔-泊松方程及引入热电子发射（TE）/普尔-弗兰克尔（PF）等栅极漏电流机制，实现了二维电子气（2DEG）密度33%的提升和栅极漏电流99%的抑制，为极端温度环境下功率电子器件设计提供了突破性理论框架。

　　

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器件结构与能带图

图1a展示了典型p-GaN HEMT的结构示意图。外延结构包含生长在硅衬底上的铁掺杂GaN缓冲层（厚度2μm，受主浓度3×10¹³/cm³），其上为10nm厚的AlGaN势垒层（t_AlGaN），最顶部为70nm厚的p型GaN帽层（t_p-GaN），其镁掺杂浓度高达1×10¹⁹/cm³。

低温缓冲陷阱模型静电学

对于p-GaN HEMT，沟道电荷密度记为n（cm^-2），而GaN中的陷阱电子密度n_trap（cm^-2）受费米能级（E_F）、陷阱浓度（N_T）和激活能（E_T）调控。通过薛定谔-泊松方程自洽求解得到的电荷密度方程为：

n + n_trap= R(V_G- V_OFF- E_F/q)

其中R = 1/[q(t_AlGaN/ε_AlGaN,cryo+ t_p-GaN/ε_GaN,cryo)]。

结果与讨论

本节重点对比不同温度下p-GaN HEMT的性能表现。我们研究了三种构型：传统p-GaN HEMT、含铁深能级缓冲陷阱的器件在常温（模型A）与低温（模型B）下的表现。模型B的核心创新在于系统引入了缓冲陷阱占据度的温度依赖性。

结论

本研究建立的低温物理模型表明，通过调控费米能级（E_F）、陷阱浓度（N_T）和激活能（E_T），新型模型（模型B）相较于传统模型（模型A）可实现二维电子气（2DEG）密度33%的提升，并通过抑制热电子发射与载流子隧穿机制使栅极漏电流降低99%。