張力 林志宇 羅俊 王樹龍 張進(jìn)成 郝躍戴揚(yáng) 陳大正 郭立新

1)(西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院,寬禁帶半導(dǎo)體國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710000)2)(西安電子科技大學(xué)物理與光電工程學(xué)院,西安 710000)

(2017年6月1日收到;2017年8月16日收到修改稿)

1 引 言

近年來,AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管(HEMT)由于高二維電子氣(2DEG)濃度、高電子飽和速度及高擊穿電場(chǎng)等優(yōu)越特性在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界受到廣泛關(guān)注,被認(rèn)為是電力電子領(lǐng)域的理想應(yīng)用器件[1?8].有大量報(bào)道稱在提高Al-GaN/GaN HEMT擊穿電壓方面取得了優(yōu)越的成果,Zhang等[9]報(bào)道了采用重疊柵結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)柵漏間距為13μm的AlGaN/GaN HEMT擊穿電壓為570 V;Kim等[10]報(bào)道了柵漏間距為10μm的常規(guī)結(jié)構(gòu)AlGaN/GaNHEMT擊穿電壓為495 V,而采用氟等離子體處理之后實(shí)現(xiàn)擊穿電壓520 V;Deguchi等[11]報(bào)道了采用緩變柵場(chǎng)板結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)柵漏間距為10μm的AlGaN/GaN HEMT擊穿電壓為830 V.但上述器件能達(dá)到的最大柵漏間平均擊穿電場(chǎng)僅為0.83 MV/cm,始終與GaN材料的理論擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度(3.3 MV/cm)相去甚遠(yuǎn)[12?15].

本文基于橫向HEMT結(jié)構(gòu),提出了一種新型的工藝易實(shí)現(xiàn)的高擊穿電壓AlGaN/GaN HEMT.該器件采用島狀p-GaN掩埋緩沖層(PIBL),通過體電場(chǎng)調(diào)制效應(yīng)使電場(chǎng)的分布更加均勻從而達(dá)到提高器件擊穿電壓的目的,其工作原理類似于硅功率器件中的減小體場(chǎng)效應(yīng)[16,17].其中非故意摻雜n型GaN緩沖層與p-GaN島掩埋層形成的反向偏置p-GaN/n-GaN結(jié)對(duì)器件表面和體電場(chǎng)分布均勻性有明顯的優(yōu)化,同時(shí)使器件的緩沖層泄漏電流得到抑制,實(shí)現(xiàn)了器件擊穿電壓超過1700 V.文中使用Sentaurus TCAD仿真軟件對(duì)PIBL AlGaN/GaN HEMT的關(guān)態(tài)I-V特性、電場(chǎng)分布等器件電學(xué)特性進(jìn)行仿真并對(duì)器件參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).仿真結(jié)果表明,與常規(guī)的AlGaN/GaN HEMT器件相比,實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的PIBL AlGaN/GaN HEMT在擊穿電壓等方面表現(xiàn)出明顯的優(yōu)越性.

2 器件仿真

PIBL AlGaN/GaN HEMT結(jié)構(gòu)的截面圖如圖1所示,與常規(guī)HEMT結(jié)構(gòu)的不同點(diǎn)在于此結(jié)構(gòu)在2DEG通道下方的GaN緩沖層中埋設(shè)了6個(gè)等間隔的p-GaN島.

圖2給出了PIBL HEMT器件結(jié)構(gòu)提高擊穿電壓的工作原理.對(duì)于常規(guī)GaN基HEMT而言,因?yàn)樵跂艠O邊緣處耗盡區(qū)邊界發(fā)生彎曲,曲率很大,使得電場(chǎng)線向柵極邊緣集中,因此在同樣的偏壓下,柵極邊緣耗盡區(qū)電場(chǎng)遠(yuǎn)大于柵下方耗盡區(qū)電場(chǎng)[18,19].而對(duì)于PIBL HEMT結(jié)構(gòu),當(dāng)截止?fàn)顟B(tài)下向漏極施加較高的正向電壓(Vds)時(shí),在p-GaN島靠近漏端的區(qū)域與緩沖層之間形成反偏的p-n結(jié),進(jìn)而形成空間電荷區(qū).p-GaN邊緣產(chǎn)生負(fù)的空間電荷,而緩沖層產(chǎn)生正的空間電荷,正的空間電荷會(huì)吸引電場(chǎng),在p-GaN島靠近漏端一側(cè)形成新的電場(chǎng)峰,這樣能夠使表面電場(chǎng)分布更加均勻,提高器件的耐壓.同時(shí)p-GaN埋層也能與緩沖層形成橫向p-n結(jié),承擔(dān)一部分緩沖層耐壓,防止緩沖層橫向穿通.

本文仿真過程中所用到的器件相關(guān)參數(shù)如表1所列,為了突出PIBL結(jié)構(gòu)的優(yōu)越特性,本文對(duì)具有表1所示相同特性參數(shù)的常規(guī)AlGaN/GaN HEMT也進(jìn)行了仿真.

圖2 (網(wǎng)刊彩色)(a)常規(guī)AlGaN/GaN HEMT和(b)PIBL AlGaN/GaN HEMT電力線分布Fig.2.(color online)Electric line distributions of the(a)AlGaN/GaN HEMT and(b)PIBL AlGaN/GaN HEMT.

表1 仿真中涉及的相關(guān)器件參數(shù)Table 1.Device parameters used in simulation.

除了表1中用到的器件仿真參數(shù)外,在模型參數(shù)中,設(shè)定p-GaN島狀埋層空穴遷移率為15 cm2/(V·s),2DEG遷移率為1500 cm2/(V·s),GaN親和勢(shì)為3.8,AlGaN親和勢(shì)為3.52.采用固定的正電荷來模擬異質(zhì)結(jié)界面處的正極化電荷,面密度為1×1013cm?2,文中的仿真不考慮表面態(tài)和柵隧穿模型,器件擊穿是由碰撞電離引起的,碰撞電離率為α0exp(?Ec/E),其中α0為碰撞電離系數(shù),設(shè)為2.9×108/cm;Ec為臨界擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度,設(shè)為3.4×107V/cm[20].

3 結(jié)果與討論

PIBL AlGaN/GaN HEMT和常規(guī)AlGaN/GaN HEMT的關(guān)態(tài)I-V特性如圖3所示,其中PIBL HEMT的tp=0.2μm,t=0.2μm,NPI=1.34×1017cm?3,兩個(gè)器件的柵漏間距(Lgd)均為10μm,器件的擊穿電壓定義為柵壓(Vgs)為?6 V下當(dāng)漏極電流達(dá)到1 mA/mm時(shí)的漏極電壓.由圖3可以明顯看出PIBL結(jié)構(gòu)HEMT的擊穿電壓達(dá)到了1700 V,而常規(guī)結(jié)構(gòu)HEMT的擊穿電壓僅有580 V.這表明本文提出的PIBL結(jié)構(gòu)的平均擊穿電場(chǎng)高達(dá)1.7 MV/cm,而常規(guī)AlGaN/GaN HEMT的平均擊穿電場(chǎng)只有0.58 MV/cm,僅為PIBL結(jié)構(gòu)的1/3.

圖4給出了PIBL AlGaN/GaN HEMT和常規(guī)AlGaN/GaN HEMT在擊穿點(diǎn)處的體等電位分布.可以看出,由于埋層p-GaN島的調(diào)制效應(yīng),PIBL結(jié)構(gòu)的等電位輪廓分布比常規(guī)結(jié)構(gòu)的等電位輪廓分布更加均勻,特別是在掩埋p型島的邊緣處電場(chǎng)的分布均勻性對(duì)比最為明顯.PIBL結(jié)構(gòu)中六個(gè)等距離的p-GaN島掩埋緩沖層起著與場(chǎng)限制環(huán)或場(chǎng)板相似的作用[21],使器件的電壓分布在更大的范圍上,因此PIBL結(jié)構(gòu)具有更高的擊穿電壓.

圖5顯示了PIBL AlGaN/GaN HEMT和常規(guī)AlGaN/GaN HEMT在擊穿電壓下的界面電場(chǎng)(y=0.229μm)和表面電場(chǎng)(y=0.001μm)分布.埋層p-GaN島引入的多個(gè)反向p-n結(jié)在界面位置處形成了新的電場(chǎng)峰,有效地調(diào)制了器件的體電場(chǎng)分布,同時(shí)PIBL結(jié)構(gòu)的表面也產(chǎn)生了五個(gè)新的表面電場(chǎng)峰,這表明器件的橫向電場(chǎng)被有效優(yōu)化,有助于獲得更高的擊穿電壓.

圖3 (網(wǎng)刊彩色)PIBL AlGaN/GaN HEMT和AlGaN/GaN HEMT的關(guān)態(tài)I-V特性Fig.3.(color online)Off-state I-V characteristics of the PIBL AlGaN/GaN HEMT and the AlGaN/GaN HEMT.

圖4 (網(wǎng)刊彩色)擊穿點(diǎn)處(a)PIBL AlGaN/GaN HEMT和(b)AlGaN/GaN HEMT的等電位分布Fig.4.(color online)Equipotential contour distributions at breakdown point for(a)the PIBL AlGaN/GaN HEMT and(b)AlGaN/GaN HEMT.

圖5 (網(wǎng)刊彩色)擊穿電壓下PIBL AlGaN/GaN HEMT和AlGaN/GaN HEMT 的(a)界面電場(chǎng)(y=0.229μm)和(b)表面電場(chǎng)(y=0.001μm)分布Fig.5.(color online)Distributions of(a)interface electric fi elds(y=0.229μm)and(b)surface electric fi elds(y=0.001μm)at breakdown point for PIBL and AlGaN/GaN HEMT.

由于緩沖層中存在的泄漏電流是引起HEMT擊穿的重要原因之一,圖6展示了Vgs=?6 V,Vds=400 V時(shí)兩種AlGaN/GaN HEMT結(jié)構(gòu)的電子濃度分布.顯然,在相同電壓偏置下,PIBL HEMT緩沖層中的電子已經(jīng)完全耗盡,緩沖層泄漏電流得到抑制,而常規(guī)HEMT緩沖層中仍然存在大量的電子.這是因?yàn)樵赑IBL結(jié)構(gòu)中,p-GaN島通過與緩沖層形成p-n結(jié)把漏端的高電壓分散到緩沖層,使得源漏下方的體電場(chǎng)更高,等勢(shì)線分布更加密集(如圖4),更好地耗盡緩沖層電子.因此,與常規(guī)結(jié)構(gòu)相比,PIBL結(jié)構(gòu)通過減小緩沖層泄漏電流,降低了由泄漏電流引起的碰撞電離的概率,進(jìn)而抑制了雪崩擊穿的發(fā)生[22,23].

對(duì)于GaN基電力電子器件而言,單獨(dú)提高器件的擊穿電壓是無意義的,通常要確保器件在獲得高擊穿電壓的同時(shí)具有較低的導(dǎo)通電阻.因此,本文還研究了PIBL HEMT和常規(guī)AlGaN/GaN HEMT的輸出特性和轉(zhuǎn)移特性,如圖7所示.輸出特性的仿真范圍為Vgs由?4 V變化至2 V,步長(zhǎng)為2 V,轉(zhuǎn)移特性在Vds為15 V下進(jìn)行仿真.從圖7可以觀察到PIBL HEMT與常規(guī)HEMT相比具有較小的輸出電流,表明PIBL HEMT的導(dǎo)通電阻略大于常規(guī)器件的導(dǎo)通電阻,這可能是因?yàn)橐氲膒-GaN埋層部分耗盡了2DEG溝道中的電子濃度導(dǎo)致的.但是從上述分析可以看出,PIBL HEMT的擊穿電壓顯著提高到1700 V,特征導(dǎo)通電阻(Ron,sp)僅為1.47 m?·cm2,品質(zhì)因數(shù)(FOM=BV2/Ron,sp)達(dá)到1966 MW·cm?2.

圖6 (網(wǎng)刊彩色)(a)PIBL AlGaN/GaN HEMT和(b)AlGaN/GaN HEMT的關(guān)態(tài)電子濃度分布Fig.6.(color online)Off-state electron concentration distributions for(a)PIBL AlGaN/GaN HEMT and(b)Al-GaN/GaN HEMT.

圖7 (網(wǎng)刊彩色)PIBL AlGaN/GaN HEMT和AlGaN/GaN HEMT的(a)轉(zhuǎn)移特性和(b)輸出特性Fig.7.(color online)(a)output characteristics and(b)transfer characteristics of PIBL AlGaN/GaN HEMT and AlGaN/GaN HEMT.

為優(yōu)化器件結(jié)構(gòu),圖8展示了不同器件參數(shù)對(duì)PIBL AlGaN/GaN HEMT擊穿特性的影響.圖8(a)顯示了t對(duì)擊穿電壓的影響,其中tp=0.2μm.由圖8(a)可以看出,t=0.15,0.2,0.25μm時(shí),對(duì)應(yīng)每條曲線都有一個(gè)最優(yōu)化的NPI,并且最優(yōu)化的NPI隨著t的增大而增加.這是因?yàn)閠越大,p-GaN島距離AlGaN勢(shì)壘就越遠(yuǎn),這種情況下需要更大的最優(yōu)化NPI才能使p-GaN島與緩沖層形成更大的摻雜濃度差,從而形成更大的空間電荷區(qū),以便對(duì)器件表面的電場(chǎng)有更強(qiáng)的調(diào)制作用.當(dāng)t=0.2μm,NPI=1.34×1017cm?3時(shí),器件獲得最大擊穿電壓為1700 V.圖8(b)顯示了tp對(duì)擊穿電壓的影響,可以看出器件的擊穿電壓隨著tp的減少而增強(qiáng).因?yàn)榉抡婺Ｐ椭斜尘皳诫s濃度是固定的,根據(jù)電荷平衡原理,當(dāng)p-GaN埋層越薄時(shí),其最優(yōu)化摻雜濃度也越高,此時(shí)p-n結(jié)的p型區(qū)域和n型區(qū)域之間的摻雜濃度差越大(n型區(qū)域的空間電荷區(qū)更大),對(duì)電場(chǎng)的調(diào)制作用越強(qiáng).當(dāng)tp=0.1μm時(shí),PIBL AlGaN/GaN HEMT的擊穿電壓可以達(dá)到1789 V.由此可以看出,較薄的埋層p-GaN島應(yīng)該有助于實(shí)現(xiàn)更顯著的電場(chǎng)調(diào)制并使器件獲得更高的擊穿電壓.

圖8 (網(wǎng)刊彩色)不同器件參數(shù)(a)t和(b)tp對(duì)PIBL Al-GaN/GaN HEMT擊穿特性的影響Fig.8.(color online)In fl uences of device parameters on breakdown characteristics for PIBL AlGaN/GaN HEMT:(a)t on the BV(tp=0.2μm),and(b)tpon the BV.

4 結(jié) 論

提出了一種新型PIBL AlGaN/GaN HEMT耐壓結(jié)構(gòu),并使用Sentaurus TCAD仿真軟件,從關(guān)態(tài)I-V特性、電場(chǎng)分布和關(guān)態(tài)載流子分布等方面對(duì)器件特性進(jìn)行了詳細(xì)的仿真分析,結(jié)果顯示引入的p-GaN埋層在較高漏極電壓下能形成反向偏置的p-GaN/n-GaN結(jié),有效地調(diào)節(jié)器件的電場(chǎng)分布,同時(shí)能有效耗盡緩沖層中的載流子,減小緩沖層漏電,使PIBL AlGaN/GaN HEMT的擊穿電壓顯著提高.對(duì)器件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化顯示,當(dāng)t=0.2μm,tp=0.1μm時(shí),Lgd=10μm的PIBL HEMT器件能實(shí)現(xiàn)高達(dá)1789 V的擊穿電壓,同時(shí)PIBL AlGaN/GaN HEMT的特征導(dǎo)通電阻僅為1.47 m?·cm2,品質(zhì)因數(shù)(FOM=BV2/Ron,sp)高達(dá)1966 MW·cm?2.

[1]Zhang W,Li X,Zhang J,Jiang H,Xu X,Guo Z,He Y,Hao Y 2016Phys.Status Solidi213 2203

[2]Yu X X,Ni J Y,Li Z H,Kong C,Zhou J J,Dong X,Pan L,Kong Y C,Chen T S 2014Chin.Phys.Lett.31 037201

[3]Xie G,Edward X,Hashemi N,Zhang B,Fred Y F,Wai T N 2012Chin.Phys.B21 086105

[4]Mao W,Yang C,Hao Y,Zhang J C,Liu H X,Bi Z W,Xu S R,Xue J S,Ma X H,Wang C,Yang L A,Zhang J F,Kuang X W 2011Chin.Phys.B20 017203

[5]Luo J,Zhao S H,Mi M H,Chen W W,Hou B,Zhang J C,Ma X H,Hao Y 2016Chin.Phys.B25 027303

[6]Li X,Hove M V,Zhao M,Geens K,Lempinen V P,Sormunen J 2017IEEE Electron.Dev.Lett.38 99

[7]Mi M H,Zhang K,Chen X,Zhao S L,Wang C,Zhang J C,Ma X H,Hao Y 2014Chin.Phys.B23 077304

[8]Xie G,Edward X,Lee J,Hashemi N,Zhang B,Fu F Y 2012IEEE Electron.Dev.Lett.33 670

[9]Zhang N Q,Keller S,Parish G,Heikman S,DenBaars S P,Mishra U K 2000IEEE Electron.Dev.Lett.21 421

[10]Kim Y,Lim J,Kim M,Han M 2015Phys.Status Solidi C8 453

[11]Deguchi T,Kamada A,Yamashita M,Tomita H,Arai M,Yamasaki K,Egawa T 2012Electron.Lett.48 109

[12]Nanjo T,Kurahashi K,Imai A,Suzuki Y,Nakmura M,Suita M,Yagyu E 2014Electron.Lett.50 1577

[13]Wang M,Chen K J 2010IEEE Trans.Electron Dev.Lett.57 1492

[14]Boles T,Varmazis C,Carlson D,Palacios T,Turner G W,Molnar R J 2013Phys.Status Solidi10 844

[15]Ha W J,Chhajed S,Oh S J,Hwang S Y,Kim J K,Lee J H,Kim K S 2012Appl.Phys.Lett.100 132104

[16]Cheng J B,Zhang B,Sun W F,Shi L X,Li Z J 2014Superlattice Microst.76 288

[17]Cheng J B,Zhang B,Li Z J 2008Electron.Lett.44 933

[18]Wu Y F,Saxler A,Moore M,Smith R P,Sheppard S,Chavarkar P M,Wisleder T,Parikh P 2004IEEE Electron Dev.Lett.25 117

[19]Ando Y,Okamoto Y,Miyamoto H,Nakayama T,Inoue T,Kuzuhara M 2003IEEE Electron.Dev.Lett.24 289

[20]Mao W,Fan J S,Du M,Zhang J F,Zheng X F,Wang C,Ma X H,Zhang J C,Hao Y 2016Chin.Phys.B25 127305

[21]Cheng X,Sin J K O,Shen J,Huai Y J,Li R Z,Wu Y,Kang B W 2003IEEE Trans.Electron.Dev.50 2273

[22]Dora Y,Chakraborty A,Heikman S,Mccarthy L,Keller S,Denbaars P 2006IEEE Electron Dev.Lett.27 529

[23]Verzellesi G,Morassi L,Meneghesso G,Meneghini M,Zanoni E,Pozzovivo G 2014IEEE Electron Dev.Lett.35 443