侯斌武，趙紅東，夏士超，宋曉敏，盧　俏，席瑞媛，李夢宇

（河北工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院電子材料與器件天津市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300401）

AlGaN/GaN HEMT電容及充電時(shí)間的研究*

侯斌武，趙紅東*，夏士超，宋曉敏，盧俏，席瑞媛，李夢宇

（河北工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院電子材料與器件天津市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300401）

通過計(jì)算AlGaN/GaN HEMT二維電子氣中的電勢、載流子以及調(diào)制摻雜載流子壽命，得到AlGaN/GaN HEMT電容和充電時(shí)間，研究了AlGaN摻雜層濃度和厚度對器件的時(shí)間響應(yīng)，并分析了AlGaN/GaN HEMT器件的高頻特性。結(jié)果表明，柵電容隨著AlGaN摻雜層濃度和厚度的增加逐漸減小。隨著AlGaN層摻雜濃度的增大，電容充電時(shí)間先減后增，當(dāng)摻雜濃度達(dá)到1.24×1019cm-3時(shí)，電容充電時(shí)間達(dá)到極小值，在AlGaN摻雜層厚度等于7 nm時(shí)電容充電時(shí)間最短。

AlGaN/GaN HEMT；頻率；電容充電時(shí)間；摻雜濃度；厚度

AlGaN/GaN作為第三代半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)材料，其寬禁帶和高電子遷移率等優(yōu)良特性使得AlGaN/GaN HEMT器件具有高擊穿電場、低噪聲、寬帶寬以及較高工作溫度諸多優(yōu)點(diǎn)［］1-6，廣泛地應(yīng)用于雷達(dá)、航空航天、無線通信、汽車電子、電力傳輸?shù)阮I(lǐng)域［7-11］。在近十年來，科研人員對于高頻大功率HEMT器件的研究尤為重點(diǎn)。2008年，Wong等［12］制造的N極性AlGaN/GaN HEMT器件，柵長為0.7 μm時(shí)，輸出功率為7.1 W/mm，頻率4 GHz，分別達(dá)到17 GHz和37 GHz的電流和功率增益截止頻率。2010年，F(xiàn)eng等采用氟離子注入技術(shù)制造了閾值電壓為0.2 V的增強(qiáng)性HEMT，最大輸出功率3.65 W/mm，頻率18 GHz，增益11.6 dB［］13。2012年，國外報(bào)道的GaN HEMT功率放大器，工作頻帶2.6 GHz～3.0 GHz，輸出功率45 W，增益12.5 dB［14］。

對于AlGaN/GaN HEMT器件的研究，雖然實(shí)驗(yàn)開展了高頻特性的研究，但是在理論設(shè)計(jì)方面大多是以直流特性為主，本文對器件頻率從充電時(shí)間入手進(jìn)行分析與優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)通過減小電容值和增大電子遷移率提高器件頻率。

1　器件結(jié)構(gòu)和物理模型

1.1器件結(jié)構(gòu)

器件的接觸電極為N型摻雜，摻雜濃度為5× 1018cm-3。AlGaN層的厚度為25 nm，GaN層的厚度為3 μm。AlGaN與GaN接觸部分，AlGaN層為P型摻雜，厚度為5 nm，上緩沖層厚度為1 nm。GaN層為N型摻雜，厚度為5 nm，下緩沖層厚度為5 nm。AlN層厚度為20 nm。.藍(lán)寶石襯底厚度為2 μm。本文通過改變AlGaN層的摻雜濃度與厚度來影響電容及其充電時(shí)間的大小，找出變化規(guī)律，提高器件頻率。結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

項(xiàng)目來源：河北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（F2013202256）

收稿日期：2015-07-24修改日期：2015-08-27

圖1　GaN HEMT器件結(jié)構(gòu)

1.2物理模型

半導(dǎo)體中電子滿足有效質(zhì)量方程［15］：

式中，?為普朗克常量，m*（z）為與z方向有關(guān)的電子有效質(zhì)量，ψk（）z為二維電子氣的波函數(shù)，EC（z）為導(dǎo)帶底能量，Ek為二維電子氣的本征能級。式（1）描述了異質(zhì)結(jié)界面的導(dǎo)帶底勢阱對電子限制作用。

半導(dǎo)體中電勢滿足泊松方程的牛頓法模型［］

式中，ε為靜態(tài)介電常數(shù)，ε0為真空介電常數(shù)，V為電勢，N+D（V）為電離雜質(zhì)濃度，n3D（V）為體電子密度。

異質(zhì)結(jié)界面的調(diào)制摻雜散射［］

式中，τMD為調(diào)制摻雜載流子的壽命，ND為調(diào)制摻雜濃度，kF為費(fèi)米波矢，d1和d2分別為勢壘層調(diào)制摻雜部分的邊界與異質(zhì)界面的距離。

電流密度：

式中，μp和 μn分別為空穴和電子的遷移率，Dp和Dn分別為空穴和電子的擴(kuò)散系數(shù)。

二維電子氣面電子密度方程：

式中，σpol（x）為界面的極化面電荷，ε（x）為相對介電常數(shù)，ΔEF為GaN導(dǎo)帶底與費(fèi)米能級的能極差，ΔEC（x）為界面帶階，d為AlGaN的勢壘層厚度，di為摻雜層厚度。

電容充電時(shí)間的長短主要取決于電子遷移率和電容值的大小。電容值小，電子遷移率大，則電容充電時(shí)間短。因此，要縮短電容充電時(shí)間需要增大電子遷移率和減小電容。

最大振蕩頻率計(jì)算公式［15］：

式中，fT為截止頻率，RG為柵串聯(lián)電阻，RS為源電阻，RD為漏電阻，CGD為柵漏極電容。由式（7）關(guān)系可知，要提高 fmax需要提高 fT，減小柵串聯(lián)電阻RG和源電阻RS。

截止頻率計(jì)算公式：

式中，g*m為本征跨導(dǎo)，CG為柵極電容。由式（8）可知，要提高 fT需要減小柵電容CG。綜上可知，本實(shí)驗(yàn)通過改變AlGaN層摻雜濃度和摻雜層厚度來增大電子遷移率和減小柵電容從而縮短電容充電時(shí)間提高響應(yīng)時(shí)間和提高截止頻率來提高器件最大振蕩頻率。

2　結(jié)果與討論

2.1摻雜濃度對電容及其充電時(shí)間的影響

模型AlGaN層摻入P型雜質(zhì)，GaN層摻入N型雜質(zhì)，N型摻雜濃度大于P型摻雜濃度，因此二維電子氣溝道仍為N型。GaN層N型摻雜使得導(dǎo)帶電子濃度更大，電勢更高，有效防止溝道電子溢出，而AlGaN層P型摻雜加強(qiáng)對溝道的限制作用。此種摻雜對三角形勢阱的作用如圖2所示。

圖2　P型摻雜對三角形勢阱的作用

由圖2可知，AlGaN層P型摻雜質(zhì)摻雜濃度的增大可加深三角形勢阱的深度，加強(qiáng)導(dǎo)帶底勢阱對電子的限制作用。

選取AlGaN層P型摻雜濃度為1.22×1019cm-3，1.23×1019cm-3，1.24×1019cm-3，1.25×1019cm-3進(jìn)行仿真。結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3　電子遷移率分布圖

圖3中，以顏色紫、藍(lán)、黃、紅層次有序的顯示出了電子遷移率由小到大的分布。縱坐標(biāo)單位長度為5 nm。從圖3中可以看出，0至5 nm層紫色偏深，電子遷移率較大，加入的N型摻雜層降低電阻率。由于AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)反型層形成三角形勢阱，在柵極電壓控制下，載流子集中于三角形勢阱形成的二維電子氣溝道中，圖3中橫線所在縱坐標(biāo)25 nm處可見，柵極下方電子遷移率明顯較高。對此部分仿真如圖4所示。

圖4　摻雜濃度與電子遷移率的關(guān)系

圖4中，圖中央豎線為二維電子氣溝道所在，縱坐標(biāo)為溝道電子遷移率。由圖4可知，當(dāng)AlGaN層的摻雜濃度小于1.24×1019cm-3時(shí)，隨著摻雜濃度的增大，電離雜質(zhì)散射增強(qiáng)，電子遷移率逐漸增大；當(dāng)AlGaN層的摻雜濃度大于1.24×1019cm-3時(shí)，隨著摻雜濃度增大，溝道內(nèi)散射增強(qiáng)，電子遷移率逐漸減小。因此，摻雜濃度為1.24×1019cm-3時(shí)，電子遷移率達(dá)到最大值。

圖5中，橫坐標(biāo)為柵極電壓，縱坐標(biāo)為柵電容，不同曲線代表不同摻雜濃度器件的柵電容。由圖5可知，隨著AlGaN層摻雜濃度的增大，電容值逐漸減小。摻雜濃度為1.24×1019cm-3時(shí)，電容值最小。

圖5　摻雜濃度與電容的關(guān)系

圖6中，橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為輸出電流，不同曲線代表不同摻雜濃度器件的響應(yīng)。圖中每條電流曲線上升下降過程為電容充電時(shí)間。由圖6可知，當(dāng)AlGaN層的摻雜濃度小于1.24×1019cm-3時(shí)，隨著摻雜濃度的增大，電容充電時(shí)間變短；當(dāng)AlGaN層的摻雜濃度大于1.24×1019cm-3時(shí)，隨著摻雜濃度增大，電容充電時(shí)間變長。當(dāng)摻雜濃度為1.24×1019cm-3時(shí)，電容充電時(shí)間最短。

圖6　摻雜濃度與電容充電時(shí)間的關(guān)系

2.2摻雜層厚度對電容及其充電時(shí)間的影響

圖7中，橫坐標(biāo)為柵極電壓，縱坐標(biāo)為柵電容，不同曲線代表不同摻雜層厚度器件的柵電容。由圖7可知，電容值隨著AlGaN層摻雜厚度的增大而減小。當(dāng)摻雜厚度為7 nm時(shí)電容值最小。

圖7　摻雜層厚度與電容的關(guān)系

圖8中橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為輸出電流，不同曲線代表不同摻雜層厚度器件的響應(yīng)。由圖7可知，在AlGaN層摻雜厚度小于7 nm時(shí)電容充電時(shí)間基本保持不變，隨著厚度繼續(xù)變厚充電時(shí)間會(huì)逐漸變長。摻雜層厚度為7 nm時(shí)電容充電時(shí)間最短。

圖8　摻雜層厚度與電容充電時(shí)間的關(guān)系

3　結(jié)論

本文仿真分析了AlGaN層摻雜濃度和摻雜層厚度對電容值大小和電容充電時(shí)間的影響，通過增大電子遷移率和減小柵電容來縮短電容充電時(shí)間提高響應(yīng)、減小電容值來提高截止頻率從而提高器件最大振蕩頻率。最后得出結(jié)論，當(dāng)AlGaN層的摻雜濃度為1.24×1019cm-3時(shí)，電容充電時(shí)間最短，電容值最??；當(dāng)AlGaN層的厚度為7 nm時(shí)，保證電容充電時(shí)間最短的同時(shí)，電容值最小。由此可見，當(dāng)AlGaN層的摻雜濃度為1.24×1019cm-3、摻雜層厚度為7 nm時(shí)，可有效提高器件最大振蕩頻率。

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侯斌武（1989-），男，河北保定人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榘雽?dǎo)體器件結(jié)構(gòu)與物理；houbinwu@163.com；

趙紅東（1968-），男，河北省，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事半導(dǎo)體器件方向研究，zhaohd@hebut.edu.cn。

Research on Capacitance and Charging Time of AlGaN/GaN HEMT*

HOU Binwu，ZHAO Hongdong*，XIA Shichao，SONG Xiaomin，LU Qiao，XI Ruiyuan，LI Mengyu
（Tianjin Key Laboratory of Electronic Materials and Device，College of Information Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300401，China）

The AlGaN/GaN HEMT two-dimensional electron gas of the electric potential，carrier life and modulation doped carrier life were calculated.The AlGaN/GaN HEMT capacitance and charging time were got，device time response for the AlGaN layer doping concentration and its thickness were studied and the AlGaN/GaN HEMT devices of high frequency characteristics was analysised.Results show that gate capacitance decreases gradually with the increase of doping concentration and thickness of the AlGaN layer.The capacitance charging time reduction first then increases with the increase of doping concentration of AlGaN layer，when doping concentrations reach a minimum at 1.24×1019cm-3；when the AlGaN doping layer thickness is equalto 7 nm，the capacitance charging time is the shortest。Key words：AlGaN/GaN HEMT；frequency；capacitance charging time；doping concentration；thickness；

TN325.3

A

1005-9490（2016）03-0531-04

EEACC：256010.3969/j.issn.1005-9490.2016.03.007