Deep investigation of GaN-Dielectrics gate stack through an-initio simulations

The demand for high-power electronic devices based on HEMT technology necessitates the achievement of a normally-off condition (Vth >0), which requires technological innovation and optimization. Current challenges in this field are associated with deep trap states and Fermi level pinning. Previous studies have shown that the introduction of a thin layer of AlN between GaN and the dielectric gate can enhance device performance. However, the underlying phenomena and conditions governing the GaN/AlN/Al2O3 heterostructure stack remain unclear. In this research, the interfaces within the heterostructure stack GaN/AlN/Al2O3, present in HEMT devices with fully recessed gates, are investigated using DFT calculations. Initially, simulations are carried out on bulk materials and surfaces of GaN and AlN. Subsequently, the focus shifts to the GaN/AlN interface, aiming to understand the intrinsic conditions for the formation of a two-dimensional carrier gas (2DCG), with the orientation of the materials determining the type of carriers. Furthermore, the study demonstrates that the charge conditions on the AlN surface, for sufficiently thick AlN layers, do not affect the presence of the 2DEG, which can only be fully depleted by introducing additional carriers of opposite sign within the interface. Additionally, the investigation explores the effects of native vacancies, showing their ability to pin the Fermi level at different positions and alter the conditions of the 2DEG. The final part of this study investigates the introduction of crystalline Al2O3 on AlN, which results in the formation of a 2DHG. Furthermore, the full GaN/AlN/Al2O3 heterostructure exhibits both a 2DEG and a 2DHG at the respective interfaces, leading to a strong electric field within AlN that remains independent of external electric fields, GaN or Al2O3 thicknesses, but depends solely on the thickness of AlN.

La domanda di dispositivi elettronici ad alta potenza che utilizzano la tecnologia HEMT richiede il raggiungimento di una condizione di "normalmente spento", che richiede innovazione tecnologica e ottimizzazione. Le sfide attuali in questo campo sono associate a trappole profonde e al bloccaggio del livello di Fermi. Studi precedenti hanno dimostrato che l’introduzione di uno strato sottile di AlN tra GaN e la griglia può migliorare le prestazioni del dispositivo. Tuttavia, i fenomeni sottostanti e le condizioni che regolano l’eterostruttura GaN/AlN/Al2O3 rimangono poco chiari. In questa ricerca, utilizzando calcoli DFT, sono state investigate le interfacce all’interno dell’eterostruttura GaN/AlN/Al2O3, presente nei dispositivi HEMT con griglie incassate. Inizialmente, le simulazioni sono state condotte sui materiali e sulle superfici di GaN e AlN. Successivamente, l’attenzione si è concentrata sull’interfaccia GaN/AlN, al fine di comprendere le condizioni intrinseche per la formazione di gas di carica bidimensionali (2DCGs), con l’orientamento dei materiali che determina il tipo di carica. Inoltre, lo studio ha dimostrato che le condizioni di carica sulla superficie di AlN, per spessori di AlN sufficientemente elevati, non influenzano la presenza del 2DEG, che può essere completamente depletato solo mediante l’introduzione di cariche aggiuntive di segno opposto nell’interfaccia. Inoltre, l’indagine ha esplorato gli effetti delle lacune native, mostrando la loro capacità di bloccare il livello di Fermi in diverse posizioni e alterare le condizioni del 2DEG. La parte finale di questo studio ha esaminato l’introduzione di Al2O3 cristallino su AlN, che ha portato alla formazione di un 2DHG. Inoltre, l’intera eterostruttura GaN/AlN/Al2O3 ha mostrato sia un 2DEG che un 2DHG alle rispettive interfacce, generando un forte campo elettrico all’interno di AlN che rimane indipendente dai campi elettrici esterni, dagli spessori di GaN o Al2O3, ma dipende unicamente dallo spessore di AlN.