Компания Nexcom Semiconductor в сотрудничестве с Сучжоуской лабораторией и Сучжоуским институтом нанотехнологий и нанобионики предложила новую аналитическую физическую модель для слабополевой подвижности нитрида 2DEG.
2025-11-11
Недавно Suzhou Energy Information Technology Co., Ltd., Suzhou Laboratory и Suzhou Institute of Nano-Tech and Nano-Bionics, China Academy of Sciences добились значительного прогресса в исследовании аналитической физической модели слабополевой подвижности в нитридных транзисторах с высокой подвижностью электронов. Это исследование впервые объединяет слабополевую подвижность двумерного электронного газа (2DEG) с механизмами множественного рассеяния и рассматривает влияние квантовых эффектов на эффективную массу 2DEG, а также устанавливает аналитическую физическую модель слабополевой подвижности, которая значительно снижает зависимость от эмпирических параметров и улучшает предсказательную способность характеристик электронного транспорта в устройстве. Ожидается, что это достижение сыграет важную роль в исследовании нитридных силовых устройств, радиочастотных устройств и проектирования интегральных схем. Соответствующие результаты были опубликованы в журнале «An Analytical Physics-based Model for Low-Field Mobility in Nitride High-Electron-Mobility Transistor Considering the Momentum Relaxation and Two-dimensional Electronic Gas Effective Mass» [1].
Предыстория исследования
В последние годы нитридные транзисторы с высокой подвижностью электронов (HEMT) стали объектом исследований и предметом пристального внимания в области полупроводников благодаря своим выдающимся характеристикам в мощных и высокочастотных приложениях. В HEMT подвижность и концентрация двумерных электронов (ДЭГ) напрямую определяют характеристики устройства; поэтому моделирование подвижности и транспортных свойств ДЭГ имеет большое исследовательское значение. Существующие модели подвижности в основном основаны на эмпирической подгонке или численном моделировании, с большим количеством параметров и отсутствием физической прозрачности. Это затрудняет точное выявление влияния различных механизмов рассеяния и квантовых эффектов на транспортные характеристики двумерных электронов, что существенно ограничивает глубокое понимание физики устройств и точность прогнозирования при моделировании и проектировании.
Основные моменты исследования
В данном исследовании предлагается аналитическая физическая модель, которая может одновременно описывать время релаксации импульса, подвижность электронов в слабом поле и эффективную массу двумерного электронного газа (ДЭГ) в устройствах на основе нитрида галлия (GaN). Модель позволяет избежать необходимости обширной эмпирической подгонки параметров, характерной для традиционных методов, и значительно повышает предсказательную силу и вычислительную эффективность. Модель систематически учитывает влияние рассеяния на ионизированных примесях, фонового рассеяния, шероховатости интерфейса, дипольного рассеяния, рассеяния на дефектах зонного потенциала, разупорядочения сплава и рассеяния фононов на время релаксации импульса. С помощью приближенного разложения и аналитического вывода получена формула, подходящая для быстрых расчетов. Кроме того, для учета изменения эффективной массы двумерного электронного газа (ДЭГ) с квантовыми эффектами интерфейса введены четыре типа физических поправок: непараболическая линейность, поляронный эффект, эффект деформации и эффект проникновения волновой функции. Это делает эффективную массу, рассчитанную с помощью модели, более соответствующей реальным физическим процессам. Наконец, результаты аналитической модели сравниваются с результатами, измеренными с помощью оптического эффекта Холла (ОЭХ) для концентрации двумерного электронного газа, подвижности и эффективной массы.
Результаты показывают высокую согласованность моделирования и эксперимента при различных составах алюминия, что подтверждает надежность модели с точки зрения физической корректности и инженерной применимости. Ожидается, что данное исследование сыграет важную роль в разработке нитридных силовых устройств, радиочастотных устройств и интегральных схем.
Рисунок 1: Зависимость между концентрацией 2DEG и составом Al в AlGaN/GaN HEMT. Результаты моделирования и экспериментальные данные хорошо согласуются, что позволяет использовать их для расчета подвижности LFE.
Рисунок 2: Соотношение между эффективной массой 2DEG и содержанием Al в AlGaN/GaN HEMT. На рисунке показано, что эффективная масса 2DEG, рассчитанная с помощью модели, и значения, полученные методом OHE, отлично согласуются и попадают в детерминированный интервал.
Рисунок 3: Зависимость времени релаксации импульса двумерного электронного газа от состава Al в AlGaN/GaN HEMT. Рисунок демонстрирует хорошее соответствие между моделированием и измерениями, а результаты попадают в детерминированный интервал.
Рисунок 4: Зависимость между низкополевой подвижностью двумерного электронного газа (ДЭГ) и составом Al в AlGaN/GaN HEMT с учётом эффективной массы и времени релаксации импульса двумерного электронного газа (ДЭГ). На рисунке показано, что результаты моделирования монотонно изменяются с мольной долей, в то время как экспериментальные данные демонстрируют осциллирующий характер, связанный с параметрами интерфейса.
Д-р Амгад А. Аль-Саман из Сучжоуской лаборатории является первым автором статьи, а д-р И Пэй из Suzhou Energy Semiconductor Co., Ltd. и г-жа Сяоцинь Ян из Сучжоуской лаборатории – соавторами. Работа выполнена при поддержке и соавторстве таких коллег, как г-н Хун Гу из Сучжоуской лаборатории и г-н Кэ Сюй из Сучжоуского института нанотехнологий и нанобионики Китайской академии наук. Исследование было поддержано Программой стипендий для выдающихся постдокторантов провинции Цзянсу и Программой поддержки ведущих талантов Сучжоу.
