劉 劍，程知群，胡 莎，周偉堅

(杭州電子科技大學射頻電路與系統(tǒng)教育部重點實驗室，浙江杭州310018)

0 引言

以GaN材料為襯底的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)高速電子遷移率晶體管(High Electron Mobility Transistor，HEMT)由于存在自發(fā)極化和壓電極化，可以在異質(zhì)結(jié)表面產(chǎn)生高濃度的二維電子氣(2DEG)，并且具有良好的高頻特性和噪聲性能以及耐高壓高溫性等優(yōu)勢，使其成為微波射頻領(lǐng)域最有潛力的功率器件之一［1，2］。國際上對于GaN基HEMT的研究成果已經(jīng)相當豐富，本文對已提出的一種新型復(fù)合溝道AlxGa1－xN/AlyGa1－yN/GaN HEMT以及之后進行改進后形成的新器件結(jié)構(gòu) AlxGa1－xN/AlN/AlyGa1－yN/GaN HEMT 進行了深入的研究［1，3，4］，提出了一種新型結(jié)構(gòu) AlxGa1－xN/AlN/GaN/InyGa1－yN/GaN HEMT，并探討了InyGa1－yN層中In含量對于器件性能的影響，最后通過TCAD對器件進行仿真獲得了較好的線性度以及跨導(dǎo)等性能。

1 器件結(jié)構(gòu)與分析

本文通過自洽求解Poisson方程以及TCAD程序仿真得到主溝道內(nèi)電子濃度隨著勢壘層或者復(fù)合溝道層的增加而增加并在其達到一定厚度后趨于飽和，主溝道內(nèi)電子濃度隨勢壘層中Al含量的上升而上升，而AlN隔離層的加入在提高主溝道載流子的濃度的同時改善了柵端的泄漏特性，一方面AlN的加入在一定程度上降低了器件的跨導(dǎo)［5，6］，另一方面 InGaN的禁帶寬度僅為0.8eV左右，遠小于GaN［7］，而由于InGaN為InN和GaN的線性組合，這使得InGaN的禁帶寬度比GaN小了很多，加上In-GaN和GaN間的晶格不匹配度較高，會產(chǎn)生很強的壓電極化效應(yīng)，從而在GaN/InGaN/GaN產(chǎn)生了次溝道，并能更好的限制2DEG溝道內(nèi)的載流子以及有效減小緩沖層漏電流，另外為了能產(chǎn)生足夠高的勢壘同時降低工藝上生長厚InGaN的壓力［8］，將InGaN層的厚度選擇為3nm。綜合上述考慮我們提出了新型的HEMT結(jié)構(gòu)及能帶圖，如圖1所示，該剖面圖1(a)自上而下依次為:21nm為摻雜Al0.3Ga0.7N勢壘層，2nm AlN隔離層，8nm GaN復(fù)合溝道層，3nm InyGa1－yN層以及2.5um的GaN緩沖層和藍寶石襯底［1，3，4，9］。如圖1(b)所示，從該能帶圖中可見，由于有次溝道的存在，當柵極加電壓時，次溝道對主溝道有屏蔽作用，從而使主溝道內(nèi)電子散射變小，在一定程度上提高了器件的線性度［9］。本文提出的新型結(jié)構(gòu)是在課題組之前的HEMT結(jié)構(gòu)中加入了InyGa1－yN層，所以之后將重點研究分析此層對于器件性能的影響。

圖1 HMET剖面及能帶圖

主次溝道內(nèi)載流子濃度隨In含量的變化曲線，如圖2所示，從圖2中可以看出隨著In含量的升高，主溝道內(nèi)的電子濃度基本保持不變而次溝道內(nèi)的電子濃度則隨之線性上升，當In含量在10%左右時，新結(jié)構(gòu)的HEMT次溝道內(nèi)電子濃度上升到了HEMT的次溝道電子濃度僅1.0×1019/cm3左右［4］，這是因為InyGa1－yN的壓電極化隨著In含量的升高而上升，且InyGa1－yN/GaN一側(cè)相應(yīng)的勢壘也隨In組分的增加而增加，從而更好地限制了溝道內(nèi)的2DEG，使得溝道內(nèi)的電子濃度隨之上升。

主次溝道內(nèi)電子遷移率隨In含量的變化情況，如圖3所示。主溝道內(nèi)的電子遷移率幾乎不隨In的改變而發(fā)生變化，基本保持在1 460cm2/Vs左右。而隨著In含量的升高次溝道內(nèi)電子遷移率不斷下降。這主要是因為在生長In的過程中容易起球，令溝道不均勻，加之InyGa1－yN層存在的位錯，從而增大了合金散射，In的含量越大這種散射就越嚴重，引起溝道內(nèi)電子遷移率的下降［10］。因此在確定In的百分含量時需綜合考慮其對次溝道內(nèi)電子濃度及電子遷移率的影響。

圖2 主次溝道內(nèi)電子濃度隨In含量的變化曲線

圖3 主次溝道內(nèi)電子遷移率隨In含量的變化曲線

為了進一步確定不同In含量對器件性能的影響，在In組分為5%，10%和15%時，利用TCAD對器件進行了直流仿真，獲得的Id-Vg特性曲線，如圖4所示，相對應(yīng)的跨導(dǎo)，如圖5所示。從圖4中易得In含量的不同對閾值電壓的影響不大，但隨著柵壓的上升，最大漏電流則隨In含量的上升而降低，這一結(jié)果源于次溝道內(nèi)電子遷移率隨In組分升高而降低，10%相比于5%的最大電流減小量明顯小于15%相對于10%的減小量;圖5中可以看到，10%的In組分相比于5%線性度稍有改善，但是最大跨導(dǎo)稍有下降，而15%的In組分相比于10%線性度已經(jīng)出現(xiàn)較明顯的惡化，且跨導(dǎo)的下降也比較大。

圖4 不同In含量下Id-Vg曲線

圖5 不同In含量下相應(yīng)的跨導(dǎo)曲線

2 器件仿真結(jié)果

綜合考慮器件溝道內(nèi)電子濃度、線性度、最大跨導(dǎo)以及最大漏極電流等多方面性能要求，最終將In的含量定位10%，并設(shè)計了柵長為0.25μm柵寬100μm Al0.3Ga0.7N/AlN/GaN/In0.1Ga0.9N/GaN HEMT，柵源距離0.75μm，柵漏距離1μm。利用TCAD對該器件仿真，直流輸出特性曲線如圖6所示，漏壓為7V時的轉(zhuǎn)移特性曲線如圖7所示，則該器件閾值電壓－5.3V，柵壓在－7V到1V間最大漏極電流為2 220mA/mm，能獲得的最大跨導(dǎo)為440mSmm。文獻4中設(shè)計的Al0.3Ga0.7N/Al0.05Ga0.95N/GaN HEMT最大漏極電流密度和最大跨導(dǎo)分別為1 300mA/mm與300mS/mm，文獻8設(shè)計的AlGaN/GaN/InGaN/GaN HEMT的最大漏極電流密度和最大跨導(dǎo)分別為1 100mA/mm與210mS/mm。與文獻4和8的結(jié)果相比，本文提出的新型Al0.3Ga0.7N/AlN/GaN/In0.1Ga0.9N/GaN HEMT在最大漏極電流密度和最大跨導(dǎo)都有了明顯提高。而且在－3.5～－0.5V范圍內(nèi)HEMT跨導(dǎo)變化量很小，說明新結(jié)構(gòu)有良好的線性度。

圖6 器件輸出特性曲線

圖7 器件轉(zhuǎn)移特性曲線

3 結(jié)束語

本文嘗試提出了新型的AlxGa1－xN/AlN/GaN/InyGa1－yN/GaN HEMT結(jié)構(gòu)，并著重研究了InyGa1－yN插入層中In含量對器件性能的影響，相比于本課題組之前提出的雙溝道HEMT結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在保持良好線性度的同時最大漏極電流以及最大跨導(dǎo)等性能方面都有一定提高，對于GaN基HEMT線性功率器件的后續(xù)研究具有一定得參考價值。

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