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(chǎng)強(qiáng)，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(diǎn)，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(yù)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(qiáng)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(qiáng)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(shí)，漏極就會(huì)有電流通過，為了抑制漏極電流，就需要向柵極施加負(fù)電壓，如發(fā)生柵極無法控制的情況時(shí)，電流就會(huì)一直處于流動(dòng)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(shí)際應(yīng)用過程中，必須首先確保實(shí)現(xiàn)與普通硅器件一樣的常關(guān)，即在柵極電壓為零時(shí)，漏極沒有電流產(chǎn)生。因此，增強(qiáng)型AlGaN/GaN HEMT器件實(shí)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(qiáng)型HEMT器件主要實(shí)現(xiàn)方法有：薄勢(shì)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(jìn)一步探索和優(yōu)化P-GaN柵增強(qiáng)型AlGaN/GaN HEMT器件的電學(xué)特性，采用Atlas進(jìn)行仿真模擬，研究了AlxGa1-xN勢(shì)壘層厚度H及Al組分X對(duì)器件轉(zhuǎn)移特性、輸出特性、耐壓特性的影響以及對(duì)增大漏極偏壓時(shí)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(kuò)散輸運(yùn)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(xiàn)[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(shì)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(zhǎng)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(zhǎng)PN結(jié)方法來制作增強(qiáng)型AlGaN/GaN HEMT器件，利用柵極零偏壓時(shí)柵極pn結(jié)較高的內(nèi)建電勢(shì)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(shì)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(shì)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(huì)提高能帶勢(shì)壘高度如圖1(b)所示，在柵極零偏壓時(shí)使柵下溝道電子耗盡，從而實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型器件特性[10-12]。此外，當(dāng)柵極偏壓低于內(nèi)建電壓VF時(shí)，器件以場(chǎng)效應(yīng)管原理工作；當(dāng)柵極偏壓高于內(nèi)建電壓VF時(shí)，將使空穴從P-GaN 注入溝道，同時(shí)溝道電子向柵極的注入則被AlGaN/GaN界面勢(shì)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(dòng)到漏極，而空穴遷移率比溝道內(nèi)電子低約兩個(gè)數(shù)量級(jí)，位于柵下溝道區(qū)域。這一動(dòng)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(fèi)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(duì)器件結(jié)構(gòu)網(wǎng)格在材料接觸界面進(jìn)行細(xì)分。

2.1 勢(shì)壘層厚度變化對(duì)器件輸出特性的影響

圖2所示為AlxGa1-xN勢(shì)壘層 Al組分X=0.2，厚度分別取10 nm,30 nm時(shí)對(duì)柵極電壓步進(jìn)時(shí)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(duì)應(yīng)柵極偏壓下,勢(shì)壘層為30 nm時(shí)的輸出特性曲線均比10 nm時(shí)高。在5 V柵壓下溝道已完全開啟，當(dāng)柵壓>4 V時(shí)，隨著漏極偏壓的增加，漏極飽和電流會(huì)出現(xiàn)下降且勢(shì)壘層為30 nm時(shí)下降較10 nm時(shí)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(dá)到一定臨界值時(shí)，由于大量電子聚集在通道旁邊而造成溝道動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻增加的現(xiàn)象。該現(xiàn)象持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間發(fā)生會(huì)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(shì)壘層厚度變化時(shí)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(shì)壘層厚度分別取10 nm，15 nm，20 nm，25 nm，30 nm時(shí)的輸出特性曲線，比較圖中5條曲線可發(fā)現(xiàn)，隨著勢(shì)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(shì)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(shì)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(huì)越顯著。

圖3 不同勢(shì)壘層厚度的輸出特性曲線

2.2 勢(shì)壘層厚度變化對(duì)器件轉(zhuǎn)移特性的影響

圖4為AlxGa1-xN勢(shì)壘層厚度變化時(shí)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(qiáng)型器件在取得較大漏極飽和電流Idsmax時(shí),首先要保證柵壓對(duì)器件溝道有較強(qiáng)的控制能力[9]，開啟電壓要求盡量滿足Vth>1V。當(dāng)H=10 nm時(shí)，Vth=2.4 V>1 V，Idsmax=0.17 A；H=15 nm時(shí)，Vth=1.5 V>1 V,Idsmax=0.28 A；H=20 nm時(shí)，Vth=1.1 V>1 V，Idsmax=0.38 A；H>25 nm時(shí)，Vth=0.5 V<1 V。綜上分析得出勢(shì)壘層厚度取15～20 nm為宜。

圖4 勢(shì)壘層厚度變化時(shí)的轉(zhuǎn)移特性曲線

2.3 勢(shì)壘層厚度變化對(duì)器件擊穿特性的影響

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

圖5 不同勢(shì)壘層厚度的擊穿特性曲線

2.4 Al組分變化對(duì)器件輸出特性的影響

綜合考慮之前模擬結(jié)果勢(shì)壘層厚度不易超過20 nm,現(xiàn)固定勢(shì)壘層厚度H=15 nm。為方便觀察Al組分漸變對(duì)漏極臨界飽和點(diǎn)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(shí)的輸出曲線,在Al組分X=0.3時(shí),漏極臨界飽和點(diǎn)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(huì)導(dǎo)致二維電子氣密度增加，且過大的Al組分會(huì)引起勢(shì)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(duì)器件轉(zhuǎn)移特性的影響

圖7為固定勢(shì)壘層厚度H=15 nm, AlxGa1-xN勢(shì)壘層中Al組分漸變時(shí)對(duì)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(dāng)Al組分X=0.2時(shí),使得器件的開啟電壓達(dá)到2 V，但是漏極電流較??；當(dāng)Al組分取X=0.3時(shí)使得器件的開啟電壓逐漸減小至低于1 V ；由于增強(qiáng)型器件在取得較大漏極飽和電流時(shí)，首先要保證柵壓對(duì)器件溝道有較強(qiáng)的控制能力，綜合上述原因認(rèn)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(yǔ)

本文利用Atlas完成對(duì)了P-GaN柵增強(qiáng)型AlGaN/GaN HEMT的勢(shì)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(shì)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(dāng)增加勢(shì)壘層厚度和Al組分。但為了保證柵極的控制能力提高增強(qiáng)型器件的開啟電壓及同時(shí)減小電流崩塌效應(yīng)的產(chǎn)生，勢(shì)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(shì)壘層厚度和Al組分反而會(huì)給增強(qiáng)型HEMT帶來不利的影響。故在設(shè)計(jì)器件時(shí)要綜合這幾方面的考慮，選取最優(yōu)化的器件結(jié)構(gòu)。