摘要：分析了AlGaN/GaN HEMT器件的結(jié)構(gòu)及特性，2DEG的濃度與器件的電學(xué)特性的關(guān)系。在仿真軟件ATLAS上構(gòu)建器件模型，對(duì)器件的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性進(jìn)行了模擬仿真，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：AlGaN/GaN HEMT；2DEG；轉(zhuǎn)移特性；輸出特性

1 緒論

近年來(lái)，GaN半導(dǎo)體材料以其寬禁帶、強(qiáng)擊穿電場(chǎng)、高電子遷移率等優(yōu)越的物理特性，在電子器件領(lǐng)域得到了迅速的發(fā)展。GaN基器件更適合工作在高溫、高壓和高頻等復(fù)雜條件下。AlGaN/GaN HEMT由于在其異質(zhì)結(jié)界面形成了高密度、高遷移率的二維電子氣，有良好的大功率和高頻特性，成為無(wú)線通信、電力電子等領(lǐng)域的核心器件。但是受材料生長(zhǎng)質(zhì)量、器件結(jié)構(gòu)以及制備加工技術(shù)等因素的限制，GaN基HEMT的電學(xué)性質(zhì)受到材料表面高密度缺陷太、較大柵極漏電流等問(wèn)題的制約，出現(xiàn)過(guò)早擊穿、電流崩塌及高場(chǎng)應(yīng)力退化等問(wèn)題。本文基于ATLAS軟件對(duì)AlGaN/GaN HEMT的電學(xué)特性進(jìn)行模擬，從而分析器件的電學(xué)性質(zhì)，對(duì)器件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化有一定的指導(dǎo)作用。

2 器件的結(jié)構(gòu)

AlGaN/GaN HEMT是一種以高遷移率的2DEG作為導(dǎo)電溝道的器件，在AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面能夠形成量子阱與帶階，電子分布于量子阱中，形成可沿著異質(zhì)結(jié)界面左自由運(yùn)動(dòng)而在垂直于異質(zhì)結(jié)界面方向運(yùn)動(dòng)受限制的2DEG。器件的肖特基勢(shì)壘柵極利用柵壓來(lái)控制2DEG溝道的開(kāi)啟與關(guān)閉。

AlGaN/GaN HEMT的結(jié)構(gòu)如圖1所示，柵極采用肖特基接觸，源漏極為歐姆接觸。器件的制作中一般使用MOCVD依次在藍(lán)寶石襯底淀積AIN緩沖層、未摻雜的GaN層和一定厚度的AlGaN勢(shì)壘層。為了減小HEMT中的電流崩塌效應(yīng)，在柵源和柵漏之間制作鈍化層。器件工作時(shí)，源漏電壓形成的橫向電場(chǎng)使溝道中的2DEG沿著異質(zhì)結(jié)界面?zhèn)鬏?，形成穩(wěn)定的輸出電流，肖特基極則通過(guò)柵壓控制2DEG耗盡，實(shí)現(xiàn)溝道的開(kāi)啟和關(guān)閉。

2DEG的密度與AlGaN/GaN HEMT器件的電學(xué)特性的關(guān)聯(lián)非常密切，而產(chǎn)生2DEG的原因是由于極化效應(yīng)的存在。柵極電壓可以通過(guò)改變溝道2DEG的密度而達(dá)到控制器件工作狀態(tài)的作用。極化包括自極化PSP和壓電極化PPZ，如果我們假定GaN處于完全弛豫狀態(tài)，則其極化的總量就只包含自發(fā)激化。而對(duì)于AlGaN來(lái)說(shuō)，極化除了自發(fā)激化之外，還包括由于晶格常數(shù)不匹配引起的壓電極化分量。其應(yīng)力表達(dá)式為：

ε=（1-r）aAlGaN-aGaNaAlGaN（1）

式中ε表示AlGaN所受到的應(yīng)力；r表示應(yīng)變弛豫度；aAlGaN、aGaN分別表示AlGaN、GaN的晶格常數(shù)。

AlGaN層的壓電極化分量可表示為：

PPz（AlGaN）=2ε（e31-e33c13/c33）（2）

式中e31和e23為壓電常數(shù)；c13和c33為彈性常數(shù)。

忽略極化適量的水平分量，假定只有極化矢量的垂直分量起作用，則AlGaN總的極化矢量等于其自發(fā)極化分量和壓電極化分量的總和?？杀硎緸椋?/p>

PTz（AlGaN）=PSP（AlGaN）+PPz（AlGaN）（3）

受極化效應(yīng)的影響，在AlGaN勢(shì)壘層表面和AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面處產(chǎn)生了極化電荷。AlGaN表面和AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面處的電荷面密度的表達(dá)式為：

（4）

器件的溝道中的漏電流若用準(zhǔn)二維的方法，其表達(dá)式為：

IDS=-qWv（z）ns（z）（5）

式中，W是溝道寬度；v是電子的速度；σ為而為電子氣濃度，它是溝道位置z和柵壓的函數(shù)。

極化電荷受到Al組分的分量、勢(shì)壘高度等因素的影響。在ATLAS中包含了很多物理模型，對(duì)器件進(jìn)行模擬時(shí)需要進(jìn)行合理的篩選。在AlGaN/GaN HEMT器件中，介電常數(shù)的各向異性對(duì)電學(xué)特性有很重要的作用，在仿真是采用各向異性模型。而GaN為寬禁帶半導(dǎo)體材料，故在異質(zhì)結(jié)的模擬中用費(fèi)米統(tǒng)計(jì)。

3 器件的電學(xué)特性仿真

在用ATLAS軟件進(jìn)行仿真時(shí)首先搭建模擬所用的器件模型，如圖2所示，器件的GaN層厚度是1.475μm，而非故意摻雜的AlGaN勢(shì)壘層的厚度為25nm.而在柵極兩側(cè)的氮化物鈍化層的厚度為0.5μm。柵極的寬為2μm，厚度為0.5μm.源極和漏極的寬度為0.5μm，厚度為0.1μm。在仿真時(shí)用到載流子遷移率模型以及極化模型等。

圖3為模擬仿真得到的器件的轉(zhuǎn)移特性曲線，柵極所加電壓最小值為10V，最大值為1V，漏源偏壓為1V。從仿真結(jié)果可以看出，器件的開(kāi)啟電壓大約在6V。在大于開(kāi)啟電壓后，漏極電流隨著柵壓的增大而先增加后趨于飽和。

圖4和圖5分別為考慮晶格加熱效應(yīng)和不考慮晶格加熱時(shí)的輸出特性曲線，器件的工作溫度為300K。柵極偏壓分別為0V，1V，2V，3V，漏源偏壓從0V到16V。從圖中可以看出AlGaN/GaN HEMT的飽和電壓比較高，考慮晶格加熱效應(yīng)時(shí)曲線比較平緩更能體現(xiàn)器件的真實(shí)電學(xué)特性。

4 結(jié)論

分析了AlGaN/GaN HEMT器件的結(jié)構(gòu)及特性。對(duì)于AlGaN/GaN HEMT器件來(lái)說(shuō)，二維電子氣濃度主要是由界面處的極化效應(yīng)引起的。器件的電學(xué)性質(zhì)由二維電子氣濃度決定。我們通過(guò)仿真軟件對(duì)AlGaN/GaN HEMT器件的電學(xué)特性進(jìn)行了模擬仿真。從結(jié)果來(lái)看AlGaN/GaN HEMT器件的開(kāi)啟電壓和飽和電壓都比較高。表現(xiàn)出良好的電學(xué)特性。

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項(xiàng)目基金：貴州省2014年聯(lián)合基金項(xiàng)目（黔科合LH字[2014]7181號(hào)）

作者簡(jiǎn)介：張子硯（1979），女，甘肅白銀人，碩士，講師，微電子學(xué)與固體電子學(xué)。