葛 梅，李 毅，王志亮，朱友華

（南通大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南通 226019）

氮化鎵（GaN）屬第三代半導(dǎo)體材料，具有禁帶寬度大、電子飽和速度高、且具有耐高溫、耐高壓、抗輻射等優(yōu)良特性，是制備電力電子器件的理想材料[1-2]?；贕aN 材料的高電子遷移率晶體管（high electron mobility transistor，HEMT）在高溫、高頻、大功率領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。其中，AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)是GaN 基HEMT 器件的基本結(jié)構(gòu)。由于GaN 材料獨(dú)特的自發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)，GaN 基HEMT 器件溝道處天然存在高濃度的二維電子氣（2DEG）[3]。因此傳統(tǒng)的GaN 基HEMT 器件在零柵偏壓下處于導(dǎo)通狀態(tài)，開(kāi)啟電壓為負(fù)值，是常開(kāi)型（耗盡型）器件。而為了簡(jiǎn)化后期柵極驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，降低成本，工業(yè)界更需要常關(guān)型（增強(qiáng)型）器件[4]。

實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型器件的原理在于耗盡AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)處的2DEG，這可以通過(guò)器件工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)，目前實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型器件的方法有：薄勢(shì)壘層[5]，凹槽柵工藝[6]、氟離子注入[7]和p 型柵結(jié)構(gòu)[8-10]。其中，p 型柵技術(shù)是通過(guò)在勢(shì)壘層上生長(zhǎng)一層p-GaN 來(lái)耗盡溝道處的2DEG，這種方法工藝可控性強(qiáng)，能夠大規(guī)模重復(fù)生產(chǎn)，且能夠制備出高閾值電壓、低漏電流的器件，是極有發(fā)展前景的一種增強(qiáng)型方法。

在p 型柵結(jié)構(gòu)GaN 基HEMT 器件中，AlGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)是器件的主要結(jié)構(gòu)，溝道處形成的2DEG 的濃度和遷移率是影響器件性能的關(guān)鍵。AlGaN 勢(shì)壘層中Al 組分的選擇會(huì)對(duì)器件性能造成影響。提高Al 組分能夠提高器件中輸出電流及跨導(dǎo)[11]，且能夠降低器件的低頻噪聲[12]。然而一味地提高Al 組分也會(huì)對(duì)器件造成消極影響，研究發(fā)現(xiàn)高Al 組分會(huì)造成石墨烯AlGaN/GaN HEMT 器件柵極反向電流增大[13]。Al 組分的選取不僅會(huì)影響溝道中2DEG 的輸運(yùn)，濃度及遷移率[14]，也會(huì)影響半導(dǎo)體材料的應(yīng)力[15]及肖特基勢(shì)壘高度[16-17]。因此Al 組分的選取對(duì)GaN 基HEMT 器件的性能尤為重要。同時(shí)，當(dāng)AlGaN 勢(shì)壘層厚度越薄時(shí)，HEMT 器件接觸電阻越小，但是薄勢(shì)壘層會(huì)最終耗盡溝道2DEG，并且加大了電極接觸難度[18]。因此，對(duì)于器件中AlGaN 勢(shì)壘層厚度選擇需要進(jìn)一步優(yōu)化。

本文通過(guò)Silvaco TCAD 軟件仿真p 型柵結(jié)構(gòu)GaN 基HEMT 器件直流特性，對(duì)AlGaN 勢(shì)壘層厚度及其Al 組分進(jìn)行優(yōu)化，致力于提高器件閾值電壓及輸出飽和電流。同時(shí)，通過(guò)仿真器件關(guān)態(tài)時(shí)的能帶結(jié)構(gòu)及開(kāi)態(tài)時(shí)溝道中的電子濃度，進(jìn)一步分析Al 組分及AlGaN 勢(shì)壘層厚度對(duì)器件性能影響的物理機(jī)制。

1 器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1 所示為p 型柵結(jié)構(gòu)GaN 基HEMT 器件結(jié)構(gòu)圖，包含一個(gè)50 nm 的p 型GaN 蓋帽層，其中p 型GaN 中空穴濃度設(shè)為3 × 1017cm-3，用來(lái)調(diào)節(jié)AlGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)能帶結(jié)構(gòu)，耗盡溝道中的二維電子氣（2DEG），使器件達(dá)到增強(qiáng)型性能。器件結(jié)構(gòu)還包括一個(gè)厚度及組分可調(diào)的AlGaN 勢(shì)壘層，及一個(gè)2 μm 的非故意摻雜GaN 緩沖層，其背景載流子濃度為1 × 1016cm-3。器件的源漏電極與GaN 層之間為歐姆接觸，柵極與p 型GaN 之間為肖特基接觸。器件柵長(zhǎng)設(shè)為1 μm，柵源之間距離設(shè)為1 μm，柵漏之間距離設(shè)為6 μm[19]。

圖1 p 型柵結(jié)構(gòu)GaN 基HEMT 器件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Cross-sectional schematic of the p-GaN gate AlGaN/GaN HEMT

2 結(jié)果與討論

2.1 仿真介紹

本文采用Silvaco TCAD 軟件對(duì)p 型柵結(jié)構(gòu)GaN 基HEMT 器件進(jìn)行模擬，主要研究方法是利用泊松方程和載流子連續(xù)性方程用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬計(jì)算，采用牛頓迭代法求解非線(xiàn)性代數(shù)方程直到自洽。文中采用Schockley-Read-Hall 復(fù)合模型來(lái)模擬器件中的缺陷效應(yīng)[20]；考慮到GaN 材料的自發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)，引入極化模型[21]；采用低場(chǎng)遷移率模型及氮化物高場(chǎng)遷移率模型用來(lái)模擬電子的散射機(jī)制[22]。本文仿真中的溫度默認(rèn)為室溫。

2.2 器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化

首先，我們研究AlGaN 勢(shì)壘層厚度及其Al 組分對(duì)p 型柵結(jié)構(gòu)GaN 基HEMT 器件閾值電壓的影響。如圖2（a）所示為3 種不同Al 組分條件下P 型柵結(jié)構(gòu)GaN 基HEMT 器件的轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)，漏端電壓（VD）設(shè)置為5 V，柵極電壓為0～7 V。Al 組分分別設(shè)為0.25，0.27 和0.29，這3 種Al 組分對(duì)應(yīng)的器件閾值電壓分別為0.9，0.6 和0.4 V（閾值電壓取曲線(xiàn)線(xiàn)性部分與橫軸的交點(diǎn)）。因此，隨著Al 組分的增加，器件閾值電壓減小。圖2（b）為3 種AlGaN 勢(shì)壘層厚度條件下p 型柵結(jié)構(gòu)GaN 基HEMT 器件的轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)，同樣地，漏端電壓設(shè)為5 V，柵極電壓為0～5 V。由圖可知，當(dāng)AlGaN 勢(shì)壘層厚度為15，20 和25 nm 時(shí)，對(duì)應(yīng)的器件閾值電壓分別為1.4，0.6 和0.1 V。因此器件的閾值電壓隨AlGaN 勢(shì)壘層厚度的增加而減小。

圖2 不同條件下的p 型柵結(jié)構(gòu)GaN 基HEMT 器件轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)圖Fig.2 Transfer characteristics of the device with different Al mole fractions and different thicknesses of the p-GaN gate AlGaN barrier

我們還研究了AlGaN 勢(shì)壘層厚度及其Al 組分對(duì)p 型柵結(jié)構(gòu)GaN 基HEMT 器件輸出特性的影響。如圖3（a）所示為3 種不同Al 組分情況下器件的輸出特性曲線(xiàn)，其中柵極電壓（VG）設(shè)為5 V，漏極電壓為0～35 V。當(dāng)漏極電壓逐漸增大時(shí)，漏端電流逐漸增大并趨于飽和。這是由于隨著漏端電壓增大，在柵極電壓不變的情況下，溝道中的電子逐漸被吸引到漏端，導(dǎo)致漏端電流增大。而當(dāng)漏端電流大到一定程度時(shí)，溝道中所有電子都被吸引到漏端，此時(shí)的漏端電流為最大輸出飽和電流。我們?nèi)艍簽? V，漏端電壓為30 V 時(shí)的漏端電流為器件最大輸出飽和電流，由圖3（a）可知，當(dāng)Al 組分為0.25，027，0.29 時(shí)，器件最大輸出飽和電流分別為0.20，0.23 和0.25 A/mm，因此器件最大輸出飽和電流隨Al 組分的增加而增加。同樣地，我們給出了3種不同AlGaN 勢(shì)壘層厚度情況下器件的輸出特性曲線(xiàn)，柵極電壓設(shè)置為5 V，漏極電壓為0～35 V。如圖3（b）所示，當(dāng)AlGaN 勢(shì)壘層厚度為15，20 和25 nm 時(shí)，器件最大輸出飽和電流分別為0.20，0.23和0.26 A/mm，因此器件最大輸出飽和電流隨Al-GaN 勢(shì)壘層厚度的增加而增加。

圖3 不同條件下的p 型柵結(jié)構(gòu)GaN 基HEMT 器件輸出特性曲線(xiàn)圖Fig.3 Output characteristics of the device with different Al mole fractions and different thicknesses of the p-GaN gate AlGaN barrier layer

圖4（a）給出了Al 組分與器件閾值電壓、最大輸出飽和電流之間的關(guān)系。由圖可知，當(dāng)Al 組分增加時(shí)，器件閾值電壓減小，而最大輸出飽和電流增加。通常，我們需要閾值電壓更大的器件使器件能夠在高熱量情況下正常工作，而更大的輸出飽和電流則表明器件具有更大的輸出功率。因此，我們需要通過(guò)優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)得到更大的器件閾值電壓和更大的輸出飽和電流。適當(dāng)?shù)靥岣逜l 組分能夠提高器件的輸出飽和電流，但是會(huì)導(dǎo)致閾值電壓的降低，綜合考慮，本文我們將Al 組分優(yōu)化為折中值0.27。

圖4 Al 組分和AlGaN 勢(shì)壘層厚度與器件閾值電壓及輸出飽和電流關(guān)系曲線(xiàn)圖Fig.4 Trade-off between threshold voltage and saturation output drain current of the device with different Al mole fractions and different thicknesses of AlGaN barrier layer

同樣地，我們給出了AlGaN 勢(shì)壘層厚度與器件閾值電壓和輸出飽和電流關(guān)系，如圖4（b）所示，隨著AlGaN 勢(shì)壘層厚度的增加，p 型柵結(jié)構(gòu)GaN 基HEMT 器件輸出飽和電流增加，但是器件閾值電壓減小。因此，為了同時(shí)得到較大的器件輸出飽和電流和閾值電壓，我們選取折中值，將AlGaN 勢(shì)壘層厚度優(yōu)化為20 nm。

2.3 討論與分析

為了進(jìn)一步分析不同AlGaN 勢(shì)壘層厚度及其Al 組分對(duì)器件閾值電壓影響的原因，我們仿真了柵壓為0 V 時(shí)器件的導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)。圖5（a）是Al 組分為0.25，0.27，0.29 時(shí)p 型柵結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN HEMT 器件導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)圖，此時(shí)器件處于關(guān)斷狀態(tài)，AlGaN/GaN溝道中沒(méi)有電子聚集，由圖可知，Al 組分的不同導(dǎo)致了器件關(guān)態(tài)下導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)的不同。器件閾值電壓是指柵極電壓足夠使器件溝道處能帶彎曲形成勢(shì)阱，電子在勢(shì)阱中聚集，當(dāng)漏端施加電壓時(shí)，電子被漏端吸引形成漏極電流，此時(shí)的柵極電壓稱(chēng)為閾值電壓。因此器件閾值電壓的大小與器件能帶結(jié)構(gòu)有關(guān)，由圖5（a）所示，Al 組分為0.29 時(shí)p 型GaN 與AlGaN 異質(zhì)結(jié)處的導(dǎo)帶彎曲程度最小，因此施加最小的電壓能夠使器件處于導(dǎo)通狀態(tài)，因此Al 組分為0.29 時(shí)器件閾值電壓最小。同樣地，如圖5（b）所示為AlGaN 勢(shì)壘層厚度取15，20 和25 nm 時(shí)器件導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)圖，由圖可知，AlGaN 勢(shì)壘層厚度為25 nm時(shí)，p-GaN 與AlGaN 異質(zhì)結(jié)處導(dǎo)帶彎曲程度最小，因此此時(shí)器件閾值電壓最小，隨著勢(shì)壘層厚度減小，p-GaN 與AlGaN 異質(zhì)結(jié)處導(dǎo)帶彎曲程度增加，器件閾值電壓增加。

圖5 柵壓為0 V 時(shí)不同條件下的p 型柵結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN HEMT 器件導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Conduction band diagrams of the p-GaN gate AlGaN/GaN HEMT with different Al mole fractions and different thicknesses of AlGaN barrier,where gate voltage is 0 V

為了進(jìn)一步研究AlGaN 厚度及其Al 組分對(duì)器件飽和輸出電流的影響，我們仿真了柵壓為5 V 時(shí)p 型柵結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN HEMT 器件導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)，如圖6 所示。此時(shí)器件處于開(kāi)態(tài)，大量電子在A(yíng)lGaN/GaN勢(shì)阱中聚集，形成溝道，當(dāng)漏端施加電壓時(shí)電子會(huì)被漏端吸引形成輸出電流。圖6（a）為3 種不同Al組分情況下柵壓為5 V 時(shí)器件的導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)，由圖可知，Al 組分的改變會(huì)影響器件開(kāi)態(tài)時(shí)的導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)，從而影響器件的輸出電流。圖6（b）為3 種不同AlGaN 勢(shì)壘層厚度情況下器件開(kāi)態(tài)時(shí)的導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)圖，同樣地，AlGaN 勢(shì)壘層的厚度也會(huì)影響器件開(kāi)態(tài)時(shí)的導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)。

圖6 柵壓為5 V 時(shí)不同條件下的p 型柵結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN HEMT 器件導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Conduction band diagrams of the p-GaN gate AlGaN/GaN HEMT with different Al mole fractions and different thicknesses of AlGaN barrier,where gate voltage is 5 V

器件在開(kāi)態(tài)時(shí)，大量電子會(huì)在A(yíng)lGaN/GaN 溝道中聚集，且溝道越深，則表明電子聚集越多，溝道中電子的濃度會(huì)影響器件輸出電流。因此我們仿真了柵壓為5 V 時(shí)AlGaN/GaN 溝道中的電子濃度，以便直觀(guān)地得到器件開(kāi)態(tài)時(shí)溝道中電子濃度。圖7（a）為AlGaN/GaN 溝道中電子濃度大小與Al 組分的關(guān)系。當(dāng)Al 組分增加時(shí)，溝道中電子濃度增加，因此器件輸出電流增加，如圖3（a）所示。圖7（b）為電子濃度大小與AlGaN 勢(shì)壘層厚度的關(guān)系，隨著AlGaN勢(shì)壘層厚度的增加，溝道中電子濃度增加，因此器件輸出電流隨AlGaN 勢(shì)壘層厚度的增加而增加，如圖3（b）所示。

圖7 不同Al 組分和不同AlGaN 勢(shì)壘層厚度與AlGaN/GaN 溝道電子濃度關(guān)系曲線(xiàn)圖Fig.7 Electron concentrations in the AlGaN/GaN channel with different Al mole fractions and different thicknesses of AlGaN barrier

3 結(jié)論

本文通過(guò)Silvaco TCAD 軟件，優(yōu)化了p 型柵結(jié)構(gòu)GaN 基HEMT 器件AlGaN 勢(shì)壘層厚度及其Al組分。仿真結(jié)果表明，當(dāng)Al 組分為0.25，0.27，0.29時(shí)，隨著Al 組分的增加，器件輸出電流增加，閾值電壓減小；當(dāng)AlGaN 勢(shì)壘層厚度設(shè)為15，20 和25 nm時(shí)，隨著AlGaN 勢(shì)壘層厚度的增加，器件輸出電流增加，而閾值電壓減小。通過(guò)進(jìn)一步仿真器件關(guān)態(tài)、開(kāi)態(tài)時(shí)的導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)，及開(kāi)態(tài)時(shí)溝道中的電子濃度，分析了AlGaN 厚度及其Al 組分的改變會(huì)影響器件能帶結(jié)構(gòu)及溝道中電子濃度大小，從而影響器件閾值電壓及輸出電流。為了能夠同時(shí)得到較大的閾值電壓以及輸出電流，我們將器件Al 組分優(yōu)化為0.27，AlGaN 勢(shì)壘層厚度優(yōu)化為20 nm。