[论文解读] AlN/beta-Ga2O3 based HEMT: a potential pathway to ultimate high power device

Yi Lu, Hsin-Hung Yao+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 16, 2019

Ga2O3 and related materials参考文献 4被引用 11

一句话总结

本文提出了一种新型N极性AlN/β-Ga2O3异质结构HEMT，利用极化诱导形成的2DEG，实现了显著更高的2DEG浓度、增强的直流输出性能以及更高的击穿电压，相较于传统的δ掺杂或金属极性AlN/GaN HEMT具有明显优势。该设计利用AlN/β-Ga2O3界面处自发极化差异，实现高迁移率、高功率的晶体管平台，具有实现终极功率器件应用的潜力。

ABSTRACT

Gallium Oxide (Ga2O3) has a huge potential on the power device for its high breakdown filed and good transport properties. beta-Ga2O3 as the thermodynamics stable phase, has been demonstrated to form high electron mobility transistor (HEMT) through delta-doping in the barrier due to its none-polar property. Following the development in III-V HEMT which turns from delta-doping-induced to polarization-induced 2DEG, an alternative method based on III-N materials/beta-Ga2O3 heterostructure is proposed that utilizing the polarization difference on the interface. Further requirements of electric field and conduction band difference show that only nitrogen (N)-polar AlN on beta-Ga2O3 can form the channel and hold large 2DEG concentration on the interface. Compared with conventional metal-polar AlN/GaN HEMT, the proposed N-polar AlN/beta-Ga2O3 HEMT show a much larger 2DEG concentration, the spontaneous-polarization-dominated electric field, better DC output performance, as well as higher breakdown voltage. This study provides a new research approach that shifting from delta-doping-induced to polarization-induced on beta-Ga2O3-based HEMT, which can also be a guideline for community excavating the application potential of Ga2O3.

研究动机与目标

• 通过从δ掺杂转向极化诱导2DEG形成，探索高功率Ga2O3基HEMT的新途径。
• 识别在β-Ga2O3上实现最高2DEG浓度与器件性能的最优异质结构配置。
• 评估N极性AlN在β-Ga2O3上相较于传统金属极性AlN/GaN HEMT在电学与结构上的优势。
• 基于极化工程，为未来Ga2O3基功率器件提供设计指导。

提出的方法

• 研究采用在β-Ga2O3的(010)面上外延生长的N极性AlN异质结构设计，以利用强自发极化效应。
• 通过能带对齐与极化电荷密度计算进行理论分析，以确定界面处2DEG形成的潜力。
• 评估电场分布与导带偏移，以确认电子在AlN/β-Ga2O3界面处累积的可行性。
• 基于仿真性能指标，比较N极性AlN/β-Ga2O3中极化诱导2DEG与δ掺杂及金属极性结构的性能差异。
• 分析基于电场分布与载流子迁移率的击穿电压与直流输出性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 在N极性AlN/β-Ga2O3异质界面处，极化诱导2DEG是否能有效形成以用于高功率应用？
• RQ2 N极性AlN/β-Ga2O3中的2DEG浓度与δ掺杂或金属极性AlN/GaN HEMT相比如何？
• RQ3 哪些关键的极化与能带对齐因素使得所提出的结构在直流性能方面表现更优，并具备更高的击穿电压？
• RQ4 AlN在β-Ga2O3上的N极性取向是否为最大化2DEG浓度与器件性能的最优配置？

主要发现

• 由于强自发极化作用，N极性AlN/β-Ga2O3异质结构实现的2DEG浓度显著高于传统δ掺杂或金属极性AlN/GaN HEMT。
• 极化诱导2DEG主要由自发极化电场主导，从而实现高电子迁移率与低电阻率。
• 该器件结构展现出优越的直流输出性能，包括更高的电流密度与更优的饱和特性。
• 由于电场分布有利以及β-Ga2O3具有高临界场强，击穿电压得到提升。
• 理论分析证实，仅N极性AlN在β-Ga2O3上能提供形成稳定2DEG所必需的导带偏移与极化电场。
• 本研究基于极化工程，为未来Ga2O3基HEMT建立了设计框架，为实现终极高功率器件提供了可行路径。