雷 亮，郭偉玲，都 帥, 吳月芳

(北京工業(yè)大學(xué) 信息學(xué)部，北京 100124)

GaN 基材料的優(yōu)良物理特性如高電子飽和速度，高擊穿場強，以及良好的導(dǎo)熱性等使得GaN材料成為目前全球半導(dǎo)體研究的前沿和熱點，也是研制微電子器件、光電子器件的新型半導(dǎo)體材料，并與SiC、金剛石等半導(dǎo)體材料一起，被譽為是繼第一代Ge、Si半導(dǎo)體材料、第二代GaAs、InP化合物半導(dǎo)體材料之后的第三代半導(dǎo)體材料。GaN具有寬的直接帶隙、強的原子鍵、高的熱導(dǎo)率、幾乎不被任何酸腐蝕的化學(xué)穩(wěn)定性等性質(zhì)和強的抗輻照能力，在光電子、高溫大功率器件和高頻微波器件應(yīng)用方面有著廣闊的前景。

GaN的電學(xué)特性是影響器件的主要因素。由于AlGaN/GaN 界面的壓電極化效應(yīng)和界面兩側(cè)的 AlGaN 層、GaN 層的自發(fā)極效應(yīng)的存在使得AlGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)界面形成高濃度的二維電子氣(1.1×1013cm-2)和高電子遷移率(2 185 cm2·V-1·s-1)，非有意摻雜的GaN在各種情況下都呈n型,最好的樣品的電子濃度約為4×1016cm-3[1-2]。由于常規(guī)的 GaN 器件是常開型器件，在不施加?xùn)艠O偏壓時，漏極就會有電流通過，為了抑制漏極電流，就需要向柵極施加負電壓，如發(fā)生柵極無法控制的情況時，電流就會一直處于流動狀態(tài)，這將導(dǎo)致器件被燒壞。所以GaN電力電子器件為了安全工作，在實際應(yīng)用過程中，必須首先確保實現(xiàn)與普通硅器件一樣的常關(guān)，即在柵極電壓為零時，漏極沒有電流產(chǎn)生。因此，增強型AlGaN/GaN HEMT器件實現(xiàn)常關(guān)模式及抑制電流崩塌現(xiàn)象的研究得到了重視。

目前基于AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)制作的增強型HEMT器件主要實現(xiàn)方法有：薄勢壘層、槽柵結(jié)構(gòu)、柵下區(qū)域氟等離子體注入、柵極注入結(jié)構(gòu)等[3-7]。為進一步探索和優(yōu)化P-GaN柵增強型AlGaN/GaN HEMT器件的電學(xué)特性，采用Atlas進行仿真模擬，研究了AlxGa1-xN勢壘層厚度H及Al組分X對器件轉(zhuǎn)移特性、輸出特性、耐壓特性的影響以及對增大漏極偏壓時電流崩塌效應(yīng)產(chǎn)生程度的影響。

1 器件模型

Atlas模擬軟件是基于載流子連續(xù)性方程、漂移擴散輸運方程、泊松方程，利用二維有限元的分析方法來得到器件的電學(xué)特性[8]。仿真中所使用的器件模型如圖1(a)所示，該器件結(jié)構(gòu)，是來源于文獻[9]具有P-GaN柵的GaN HEMT器件。器件基本參數(shù)如下：2 μm的AlGaN緩沖層，35 nm GaN溝道層，未摻雜AlxGa1-xN勢壘層厚度為H分別取10 nm，15 nm,20 nm,25 nm,30 nm,Al組分X分別取0.2,0.23 0.25, 0.3，P-GaN采用均勻Mg摻雜濃度為3×1017cm-3，器件的柵長為1.4 μm,柵源和柵漏間距分別為1 μm和6 μm。在柵源和柵漏電極間采用Si3N4作為鈍化層。

圖1 器件模型

模擬采用柵極選擇性生長PN結(jié)方法來制作增強型AlGaN/GaN HEMT器件，利用柵極零偏壓時柵極pn結(jié)較高的內(nèi)建電勢使器件溝道電子耗盡。這里P-GaN柵HEMT是在器件的柵下和未人為摻雜的AlxGa1-xN勢壘層之間引入Mg摻雜的P-GaN材料，柵電極與P-GaN形成歐姆接觸構(gòu)成柵極注入結(jié)構(gòu)晶體管[9-10]。AlxGa1-xN勢壘層形成具有內(nèi)建電壓VF的pn結(jié)，由于柵極下P-GaN摻雜會提高能帶勢壘高度如圖1(b)所示，在柵極零偏壓時使柵下溝道電子耗盡，從而實現(xiàn)增強型器件特性[10-12]。此外，當柵極偏壓低于內(nèi)建電壓VF時，器件以場效應(yīng)管原理工作；當柵極偏壓高于內(nèi)建電壓VF時，將使空穴從P-GaN 注入溝道，同時溝道電子向柵極的注入則被AlGaN/GaN界面勢壘阻擋，注入的空穴將從源極吸引等量的電子以保持溝道的電中性，這些電子在漏極電壓的作用下以高遷移率移動到漏極，而空穴遷移率比溝道內(nèi)電子低約兩個數(shù)量級，位于柵下溝道區(qū)域。這一動態(tài)的電導(dǎo)調(diào)制作用明顯增加了漏極電流而保持較小的柵極電流[13-14]。

2 仿真結(jié)果與討論

仿真中ATLAS設(shè)置的部分模型：使用了Shockley- Read-Hall復(fù)合模型consrh、俄歇復(fù)合模型auger、遷移率模型GaNsat.n、本征費米模型ni.feirmi、考慮晶格的自加熱效應(yīng)lat.temp參數(shù)，設(shè)置壓電極化參數(shù)和自發(fā)極化參數(shù)，設(shè)置襯底熱接觸的熱阻倒數(shù)alpha=2 500 W/(cm3·K)。其中源極和漏極肖特基金屬的功函數(shù)設(shè)置為4.04 eV，柵極金屬與P-GaN為歐姆接觸，為保證仿真的精確程度和速度對器件結(jié)構(gòu)網(wǎng)格在材料接觸界面進行細分。

2.1 勢壘層厚度變化對器件輸出特性的影響

圖2所示為AlxGa1-xN勢壘層 Al組分X=0.2，厚度分別取10 nm,30 nm時對柵極電壓步進時的兩組輸出特性曲線。由兩組曲線可見隨著柵源電壓Vgs增加，漏極飽和電流也逐漸增大,且在對應(yīng)柵極偏壓下,勢壘層為30 nm時的輸出特性曲線均比10 nm時高。在5 V柵壓下溝道已完全開啟，當柵壓>4 V時，隨著漏極偏壓的增加，漏極飽和電流會出現(xiàn)下降且勢壘層為30 nm時下降較10 nm時更明顯，該現(xiàn)象可由電流崩塌效應(yīng)解釋[15]，即是一種在漏極施加高電壓達到一定臨界值時，由于大量電子聚集在通道旁邊而造成溝道動態(tài)導(dǎo)通電阻增加的現(xiàn)象。該現(xiàn)象持續(xù)長時間發(fā)生會使器件過熱，導(dǎo)致器件損壞和誤操作，從而給器件帶來災(zāi)難性的后果。

圖2 不同柵壓和勢壘層厚度變化時輸出特性曲線

圖3為同一柵極偏壓Vgs=3 V下，Al組分取X=0.2，AlxGa1-xN勢壘層厚度分別取10 nm，15 nm，20 nm，25 nm，30 nm時的輸出特性曲線，比較圖中5條曲線可發(fā)現(xiàn)，隨著勢壘層厚度的增大，漏極電流逐漸增大，導(dǎo)致這一變化的原因是勢壘層厚度的增加使得溝道內(nèi)二維電子氣濃度增加了，且勢壘層厚度越大，隨著漏極偏壓增大而產(chǎn)生的電流崩塌效應(yīng)會越顯著。

圖3 不同勢壘層厚度的輸出特性曲線

2.2 勢壘層厚度變化對器件轉(zhuǎn)移特性的影響

圖4為AlxGa1-xN勢壘層厚度變化時的轉(zhuǎn)移特性曲線，溝道內(nèi)二維電子氣的濃度隨著H增加而逐漸增大，使器件開啟電壓逐漸減小至低于1 V。由于增強型器件在取得較大漏極飽和電流Idsmax時,首先要保證柵壓對器件溝道有較強的控制能力[9]，開啟電壓要求盡量滿足Vth>1V。當H=10 nm時，Vth=2.4 V>1 V，Idsmax=0.17 A；H=15 nm時，Vth=1.5 V>1 V,Idsmax=0.28 A；H=20 nm時，Vth=1.1 V>1 V，Idsmax=0.38 A；H>25 nm時，Vth=0.5 V<1 V。綜上分析得出勢壘層厚度取15～20 nm為宜。

圖4 勢壘層厚度變化時的轉(zhuǎn)移特性曲線

2.3 勢壘層厚度變化對器件擊穿特性的影響

圖5為不同AlxGa1-xN勢壘層厚度的擊穿特性曲線，當固定Al組分為X=0.2時，隨著勢壘層厚度增加，擊穿電壓也會增加，耐壓值從勢壘層10 nm時的800 V變化為25 nm的841 V。

圖5 不同勢壘層厚度的擊穿特性曲線

2.4 Al組分變化對器件輸出特性的影響

綜合考慮之前模擬結(jié)果勢壘層厚度不易超過20 nm,現(xiàn)固定勢壘層厚度H=15 nm。為方便觀察Al組分漸變對漏極臨界飽和點右移及電流崩塌效應(yīng)的影響，圖6為同一柵極偏壓Vgs=3 V，Al組分取0.2，0.23，0.25，0.3時的輸出曲線,在Al組分X=0.3時,漏極臨界飽和點明顯右移，且電流崩塌效應(yīng)明顯。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因是，Al組分增加也會導(dǎo)致二維電子氣密度增加，且過大的Al組分會引起勢壘層應(yīng)變弛豫，令異質(zhì)結(jié)材料惡化。

圖6 不同Al組分的輸出特性曲線

2.5 Al組分漸變對器件轉(zhuǎn)移特性的影響

圖7為固定勢壘層厚度H=15 nm, AlxGa1-xN勢壘層中Al組分漸變時對器件轉(zhuǎn)移特性的影響。隨著Al組分的增大，溝道內(nèi)二維電子氣的濃度逐漸增大。當Al組分X=0.2時,使得器件的開啟電壓達到2 V，但是漏極電流較小；當Al組分取X=0.3時使得器件的開啟電壓逐漸減小至低于1 V ；由于增強型器件在取得較大漏極飽和電流時，首先要保證柵壓對器件溝道有較強的控制能力，綜合上述原因認為Al組分X取0.2～0.25較為理想。

圖7 Al組分變化的轉(zhuǎn)移特性曲線

3 結(jié)束語

本文利用Atlas完成對了P-GaN柵增強型AlGaN/GaN HEMT的勢壘層厚度及Al組分的模擬優(yōu)化，為取得器件良好的電學(xué)特性，勢壘層厚度應(yīng)該控制在15～20 nm范圍，Al組分應(yīng)控制在0.2～0.25之間。為了增大器件的漏極電流可適當增加勢壘層厚度和Al組分。但為了保證柵極的控制能力提高增強型器件的開啟電壓及同時減小電流崩塌效應(yīng)的產(chǎn)生，勢壘層厚度H不易超過20 nm、Al組分X不易超過0.25，過高的勢壘層厚度和Al組分反而會給增強型HEMT帶來不利的影響。故在設(shè)計器件時要綜合這幾方面的考慮，選取最優(yōu)化的器件結(jié)構(gòu)。