[论文解读] Diamond/c-BN HEMTs for power applications: A theoretical feasibility analysis

Namita Narendra, J. Narayan+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 29, 2019

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 2被引用 5

一句话总结

该论文提出了一种金刚石/c-BN异质结场效应晶体管（HEMT），以克服金刚石在高功率电子器件中n型掺杂受限的问题。通过第一性原理DFT计算和器件建模，证明了类型I能带对齐可实现高二维电子气密度（>5×10¹² cm⁻²），预测性能达到10 A/cm的电流驱动能力、0.05 mΩ·cm²的导通电阻，以及300 GHz的单位增益截止频率。

ABSTRACT

Diamond is a promising material for high-power electronic applications in both the dc and rf domains. However, the predicted advantages are yet to be realized for a number of technical challenges. In particular, n-type devices have not been feasible due to the large ionization energies and low thermodynamic solubility limits of n-dopants. Motivated by the recent advances in nonequilibrium processing, we propose and theoretically examine a diamond/c-BN HEMT that can circumvent the critical limitations. A first-principles calculation suggests the desired type-I alignment at the heterojunction of these two nearly lattice matched semiconductors. The investigation also illustrates that a large sheet carrier density in excess of $5 imes10^{12}~\mathrm{cm^{-2}}$ can be induced in the undoped diamond channel by the gate bias. A subsequent analysis of a simple prototype design indicates that the proposed device can achieve large current drive (~10 A/cm), low $R_{on}$ ($\sim 0.05 ~ \mathrm{m}Ω\cdot \mathrm{cm}^2$), and high $f_T$ (~300 GHz) simultaneously.

研究动机与目标

• 解决由于施主电离能高和溶解度低导致金刚石中n型掺杂长期存在的挑战。
• 探索金刚石/c-BN异质结构作为高迁移率、高功率、高频器件的潜在解决方案。
• 理论评估金刚石/c-BN HEMT结构在实现优异功率器件性能方面的可行性。
• 评估该新型异质结构中HEMT运行所依赖的关键能带对齐与载流子输运特性。
• 确定通过c-BN势垒调制掺杂是否可在本征金刚石沟道中实现高面载流子密度。

提出的方法

• 使用QUANTUM ESPRESSO进行第一性原理密度泛函理论（DFT）计算，以确定(111)取向金刚石/c-BN界面处的能带偏移。
• 计算价带偏移（ΔEV）为1.4 eV（体材料差异）加上ΔV ≈ -0.9至-1.0 eV（界面势能修正），得到ΔEV ≈ 0.5 eV，ΔEC ≈ 0.5 eV。
• 利用泊松模拟器模拟导带轮廓，考虑施主不完全电离，显示在零栅压下金刚石中形成二维电子气。
• 基于一维泊松方程和电流密度方程的电荷控制模型，模拟I_ds-V_ds和I_ds-V_gs特性。
• 在高电场下（E_cr = 10 kV/cm）应用迁移率退化模型，并推导线性区与饱和区的漏极电流。
• 通过g_m / (2π(C_gs + C_gd))估算f_T，其中g_m为跨导，C_gs和C_gd为寄生电容。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在金刚石/c-BN异质结处实现类型I能带对齐，以实现有效的调制掺杂？
• RQ2 在栅压作用下，本征金刚石沟道中的预测面载流子密度是多少？是否可超过5×10¹² cm⁻²？
• RQ3 金刚石/c-BN HEMT能否同时实现低R_on、高电流驱动能力和高f_T，以满足下一代功率器件的需求？
• RQ4 栅压如何调制金刚石沟道中二维电子气的密度？其阈值电压是多少？
• RQ5 所提出器件的单位增益截止频率（f_T）和跨导（g_m）的估计值是多少？

主要发现

• 第一性原理DFT计算预测，在金刚石/c-BN (111)界面处存在类型I能带对齐，价带偏移约为0.5 eV，导带偏移为0.5 eV。
• 在栅压作用下，本征金刚石沟道中的二维电子气面载流子密度超过5×10¹² cm⁻²，支持高电流驱动能力。
• 原型器件模型预测峰值漏极电流超过10 A/cm，性能可与GaN/AlGaN HEMT相媲美。
• 特定导通电阻（R_on）估计为0.05 mΩ·cm²，相比GaN和SiC器件实现两个数量级的改进。
• 在V_gs = 2 V时，峰值跨导（g_m）达到580 mS/mm，表明具有强栅控能力与高增益性能。
• 单位增益截止频率（f_T）估计约为280 GHz，使器件处于亚毫米波范围，支持高频工作。