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把 GaN HEMT 的“陷阱信号”拆开：一个能同时看清界面态和缓冲层态的紧凑模型

导语

AlGaN/GaN 高电子迁移率晶体管（HEMT）中的陷阱效应，一直是制约其可靠性的核心难题。陷阱分布在表面、界面、势垒和缓冲层等多个位置，传统 C–V 方法难以把界面陷阱和缓冲层陷阱的贡献分开。张等人提出了一套基于物理的紧凑建模框架，通过改进缓冲层陷阱电荷模型，把本征栅电容分解为势垒、2DEG 和陷阱三部分，并分别给出缓冲层与界面陷阱的时间常数。模型与 TCAD 仿真的均方根相对误差为 **4.59%**，与实验测量的误差仅为 **1.66%**。

背景：为什么 HEMT 的陷阱这么难“拆”？

GaN HEMT 凭借宽禁带、高击穿场和极化诱导的高密度二维电子气（2DEG），在高温、高压、高频领域占据重要地位。但材料生长、器件制备和有意掺杂过程中引入的陷阱，会导致阈值电压漂移、栅漏电抑制和电流崩塌，严重影响电路可靠性。

传统的电流瞬态和双脉冲方法能捕捉大信号动态下的陷阱效应，但高电压驱动下的费米能级大幅摆动，响应是宽能量范围内多种陷阱动力学的“卷积”，难以区分具体陷阱类型。C–V 方法在近平衡条件下探测器件，理论上能提取本征陷阱参数，但在 GaN HEMT 中面临两个困难：一是 C–V 分析通常只适用于第二斜率区，第一斜率区（亚阈值区）的解释仍很困难；二是等效电路中的半导体电容未知，电导法依赖额外技术确定俘获截面，且难以解耦多种陷阱态。

物理根源在于：2DEG 的积累和陷阱电荷之间存在强耦合，两者都调制栅电容。这种耦合使得不同陷阱的贡献无法从总电容中有效分离。其中，缓冲层陷阱和界面陷阱的影响尤为突出，也是本文聚焦的两种类型。

已有的紧凑模型通常把陷阱当作固定电荷中心，用经验参数或 RC 子电路调整阈值电压和接入电阻，既不考虑陷阱电荷的空间分布，也缺乏确定陷阱电荷密度的物理基础。一些模型用三角势阱近似处理缓冲层陷阱，但只限于近界面区域，忽略了更深处的缓冲层陷阱，导致俘获电荷被低估。当考虑整个缓冲层时，恒定电场假设不再成立，2DEG 结果也会失真。

作者如何研究：分区建模 + 电容分解

作者提出的框架包含三个核心步骤。

第一，改进缓冲层陷阱电荷模型。 当费米能级 (E_F > 0) 时，把 GaN 缓冲层分成两个区域：近界面区域（Region 1）仍用三角势阱近似，远界面区域（Region 2）则通过积分泊松方程和高斯定律处理。在 Region 2 中，2DEG 浓度已衰减数个量级，远小于陷阱电荷，因此可以忽略 2DEG 对电场的贡献。分界点 (d_1) 的选取由导带能量 (E_{c,d1} = \alpha E_F) 控制，(\alpha) 是调节参数。当 (E_F < 0) 时，近界面三角势阱贡献可忽略，只保留远区域贡献。作者引入平滑参数 (\epsilon)，保证 (E_{c,d1}) 从 0 到 (\alpha E_F) 的连续过渡。

第二，建立含陷阱电荷的 2DEG 模型。 自洽求解泊松方程和薛定谔方程，包含界面陷阱和缓冲层陷阱的电荷贡献。界面陷阱用受主型单能级表达式描述，缓冲层陷阱则用上述分区模型。

第三，建立频率色散的栅电容模型。 把本征栅电容分解为势垒电容 (C_{ox})、2DEG 电容 (C_{2DEG}) 和陷阱导纳 (Y_{buf})、(Y_{int})。势垒电容由几何参数决定，2DEG 电容在感兴趣的频率范围内视为频率无关。频率响应来自陷阱电容的频率依赖行为。采用经典的 Lehovec 导纳形式描述陷阱导纳，时间常数由 Shockley–Read–Hall（SRH）理论确定。对于缓冲层陷阱，只有费米能级附近的陷阱响应交流信号，因此采用交叉点处的电子浓度和玻尔兹曼统计获得时间常数。对于界面陷阱，交叉点位于界面处。

核心发现与逐图解读

发现一：器件结构与能带图

图 1（原文 Fig. 1）：

图 1(a) 是 Schottky 栅 AlGaN/GaN HEMT 的截面图，标注了 Si₃N₄ 钝化层、AlGaN 势垒、GaN 缓冲层、2DEG、界面受主型陷阱和缓冲层受主型陷阱。图 1(b) 是栅金属下方的能带图，虚线表示单一能级的缓冲层陷阱。图 1(c) 是近界面能带放大图，虚 线直线表示三角势阱近似，(d_1) 是 Region 1 和 Region 2 的分界点。

通俗地看：这张图告诉你陷阱分布在哪里，以及作者用什么近似来处理近界面和远界面的能带。

发现二：改进的缓冲层陷阱电荷模型更准

图 2（原文 Fig. 2）：

图 2(a) 是推导表面电场时的高斯面示意图，展示电荷密度分布：极化电荷 (\sigma_{polar})、2DEG (n_s)、界面陷阱 (n_{int})、缓冲层陷阱 (n_{buf})。图 2(b) 对比了 2DEG 面电荷密度 (n_s) 随栅压 (V_{gs}) 的变化，蓝色是已有模型，红色是本文模型，符号是 TCAD 仿真。图 2(c) 对比了总缓冲层陷阱电荷 (n_{buf}) 随栅压的变化。缓冲层陷阱密度设为 (5 \times 10^{17}) cm⁻³，能级为 (E_C - 0.45) eV，以反映深能级影响。

以 TCAD 为基准，本文模型计算的 2DEG 密度均方根误差从已有模型的 (5.73 \times 10^{11}) cm⁻² 降至 (4.38 \times 10^{9}) cm⁻²。本文模型对陷阱电荷随栅压的描述更准确，因而给出更精确的 2DEG 浓度。

通俗地看：图 2 证明，把缓冲层分成两区来处理，比只用三角势阱近似更能抓住深能级陷阱的贡献。

发现三：电容分解与单陷阱电容

图 3（原文 Fig. 3）： [建议插入：原文 Fig. 3]

图 3(a) 是本征栅电容的等效电路分解：势垒电容 (C_{ox})、2DEG 电容 (C_{2DEG})、缓冲层陷阱导纳 (Y_{buf})、界面陷阱导纳 (Y_{int})。图 3(b) 是仅存在缓冲层陷阱时的缓冲层陷阱电容 (C_{buf})，图 3(c) 是仅存在界面陷阱时的界面陷阱电容 (C_{int})。符号是 TCAD 仿真，线条是模型结果，频率从 1 Hz 到 1 MHz。

陷阱电容随栅压出现峰值，对应费米能级与陷阱能级对齐、电子被俘获的过程。频率升高时，陷阱电容逐渐减小，模型能很好地描述这一趋势。作者指出，高频下缓冲层陷阱电容出现一些偏差，可能因为直接应用 Lehovec 模型时忽略了交叉点到界面有限距离带来的电容。

通俗地看：图 3 表明，把总电容拆成三块后，每种陷阱的“响应指纹”可以单独看清。

发现四：不同陷阱密度和能级下的验证

图 4（原文 Fig. 4）： [建议插入：原文 Fig. 4]

图 4(a) 和 (c) 是 2DEG 浓度 (n_s) 随栅压的变化，图 4(b) 和 (d) 是总电离缓冲层陷阱密度 (n_{buf}) 随栅压的变化。图 4(a)(b) 固定 (E_T = 0.45) eV，(N_{buf}) 从 (10^{17}) 到 (10^{18}) cm⁻³ 变化；图 4(c)(d) 固定 (N_{buf} = 5 \times 10^{17}) cm⁻³，(E_T) 从 0.25 eV 到 0.55 eV 变化。符号是 TCAD，线条是模型。

结果表明，即使对于深陷阱能级和高缓冲层陷阱浓度，模型仍保持良好精度。作者强调，仅调整阈值电压不足以描述 2DEG 的对数积累过程——那只会让曲线横向平移；而考虑栅压控制的缓冲层陷阱电荷后，模型能准确捕捉这一行为。

通俗地看：图 4 说明，这套模型不是只在某一组参数下碰巧准，换陷阱浓度和能级也能跟住 TCAD。

发现五：双陷阱体系的电容验证

图 5（原文 Fig. 5）： [建议插入：原文 Fig. 5]

图 5(a) 是同时存在缓冲层陷阱和界面陷阱时的栅电容 (C_g) 随栅压的变化，频率从 1 Hz 到 1 MHz。图 5(b) 是缓冲层陷阱电容 (C_{buf})，图 5(c) 是界面陷阱电容 (C_{int})。仿真参数：缓冲层陷阱 (N_{buf} = 5 \times 10^{17}) cm⁻³，(E_T = 0.45) eV，(\sigma_{buf} = 2.05 \times 10^{-15}) cm²；界面陷阱 (N_{int} = 7 \times 10^{11}) cm⁻²，(E_{Tint} = 0.2) eV，(\sigma_{int} = 2.05 \times 10^{-18}) cm²。

亚阈值区出现两个明显的电容峰，分别对应缓冲层陷阱（(E_C - 0.45) eV）和界面陷阱（(E_C - 0.2) eV）。在 (-4) 到 (-1) V 栅压范围内，TCAD 与模型的均方根误差为 0.132 pF，相对误差 **4.59%**。图 5(b) 中，缓冲层陷阱电容在 (-3) V 到 (-2) V 之间出现一个谷，原因是该电压范围内界面陷阱大量俘获电子，对应图 5(c) 中界面陷阱电容的峰。这体现了两种陷阱与 2DEG 之间的耦合，也解释了图 5(c) 中界面陷阱电容峰值先增后减的现象。

通俗地看：图 5 是“双陷阱同时在场”的压力测试——两个峰各自对应一种陷阱，模型能把它们分开。

发现六：实验验证与参数提取

图 6（原文 Fig. 6）： [建议插入：原文 Fig. 6]

图 6(a) 是 CREE CGH60015D RF HEMT 的实测栅电容与模型对比，频率范围 20 kHz 到 1 MHz，使用 Agilent B1500A，CMUH 接栅极，CMUL 接漏极，采用 Cp–Gp 模式。插图展示 (-4) 到 (-1) V 全范围，主图放大 (-3.5) 到 (-3) V 之间色散显著的区域。图 6(b) 是模型计算的缓冲层陷阱电容，图 6(c) 是界面陷阱电容。

在 (-4) 到 (-1) V 栅压范围内，测量与模型的均方根误差为 0.051 pF，相对误差 **1.66%**。参数提取采用三步分层流程：先用 20 kHz 低频 C–V 曲线作为准静态极限，提取静态陷阱参数 (N_{buf})、(E_T)、(N_{int})、(E_{Tint})；再固定静态参数，拟合俘获截面和主要频率色散参数；最后全局微调其余参数。对被测器件，提取出浅能级缓冲层陷阱 (N_{buf} = 3.25 \times 10^{16}) cm⁻³，(E_T = 0.11) eV，(\sigma_{buf} = 4.93 \times 10^{-17}) cm²，以及界面陷阱 (N_{int} = 5.04 \times 10^{11}) cm⁻²，(E_{Tint} = 0.19) eV，(\sigma_{int} = 5.05 \times 10^{-16}) cm²。提取的陷阱能级与前人电流瞬态测量结果范围一致。

通俗地看：图 6 说明，这套模型不只在 TCAD 里成立，接到真实器件的多频率 C–V 数据上也能把两种陷阱的参数同时提出来。

机理、意义与局限

机理层面，核心创新是缓冲层分区处理。近界面区域电子浓度高，三角势阱近似仍适用；远界面区域 2DEG 已衰减到可忽略，陷阱电荷主导电场，需要用泊松方程积分和高斯定律求解。这样得到的表面电场包含了整个缓冲层的陷阱电荷，而不是只算近界面那一层。电容频率色散则来自陷阱导纳的 SRH 时间常数：缓冲层陷阱只有费米能级交叉点附近的陷阱响应交流信号，界面陷阱的交叉点在界面处。两种陷阱的时间常数不同，因此在 C–V 曲线上表现为不同频率下的分离峰。

意义层面，这项工作提供了一套从物理参数直接到电容色散的紧凑模型，能同时提取缓冲层和界面陷阱的密度、能级和俘获截面。模型结构上兼容电路级实现，适合做器件-电路协同仿真。

局限与待验证的问题：第一，模型采用单能级陷阱近似，实际器件中陷阱能级往往是准连续的，提取的俘获截面与频率色散参数 (\alpha_3)、(\alpha_4)、(\alpha_{1int}) 存在部分耦合。第二，推导假设小信号条件，大信号瞬态下时间常数可能不同，补充材料有初步讨论但未展开。第三，高频下缓冲层陷阱电容仍有偏差，作者归因于 Lehovec 模型忽略了交叉点到界面的有限距离。第四，实验验证只在一个器件（CREE CGH60015D）上完成，不同工艺和结构的 HEMT 是否同样适用，需要更多数据。第五，模型只考虑 (V_{ds} = 0) V 的情况，实际开关工作中沟道电位沿程变化，色散行为可能更复杂。

写在后面

这项工作的最大亮点，是用一个物理清晰的分区模型把 GaN HEMT 中“缠在一起”的界面陷阱和缓冲层陷阱拆开了，并用多频率 C–V 数据同时提取两类陷阱的密度、能级和俘获截面。与 TCAD 的 4.59% 和与实验的 1.66% 均方根相对误差，说明模型不是纸上谈兵。

最值得保持谨慎的地方是：单能级近似和 Lehovec 导纳的简化在高频和真实准连续陷阱分布下会引入偏差，参数之间也存在部分耦合。下一步最值得验证的，是把这套框架推广到不同工艺的 HEMT、非零漏压条件，以及大信号开关瞬态下是否仍然成立。

论文信息

• 标题：Compact Model for Accurate Decoupling of Interface and Buffer Traps in HEMTs
• 期刊：预印本 / 投稿论文（PDF 未标注最终期刊，年份 2026）
• 年份：2026
• DOI：未在提供内容中给出

版权说明

本文基于学术论文 Compact Model for Accurate Decoupling of Interface and Buffer Traps in HEMTs（Zhang et al., 2026）进行科学解读与转述。论文原文、图表及补充材料的版权归原作者及相应出版机构所有。

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