劉燕麗 王偉 董燕 陳敦軍? 張榮 鄭有炓

1) (山東工商學(xué)院信息與電子工程學(xué)院, 煙臺 264005)

2) (南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院, 南京 210093)

基于漂移-擴(kuò)散傳輸模型、費(fèi)米狄拉克統(tǒng)計(jì)模型以及Shockley-Read-Hall復(fù)合模型等, 通過自洽求解薛定諤方程、泊松方程以及載流子連續(xù)性方程, 模擬研究了材料結(jié)構(gòu)參數(shù)對N極性面GaN/InAlN 高電子遷移率晶體管性能的影響及其物理機(jī)制.結(jié)果表明, 增加GaN溝道層的厚度(5—15 nm)與InAlN背勢壘層的厚度(10—40 nm), 均使得器件的飽和輸出電流增大, 閾值電壓發(fā)生負(fù)向漂移.器件的跨導(dǎo)峰值隨GaN溝道層厚度的增加與InAlN背勢壘層厚度的減小而減小.模擬中, 各種性能參數(shù)的變化趨勢均隨GaN溝道層與InAlN背勢壘層厚度的增加而逐漸變緩, 當(dāng)GaN溝道層厚度超過15 nm、InAlN背勢壘層厚度超過40 nm后,器件的飽和輸出電流、閾值電壓等參數(shù)基本趨于穩(wěn)定.材料結(jié)構(gòu)參數(shù)對器件性能影響的主要原因可歸于器件內(nèi)部極化效應(yīng)、能帶結(jié)構(gòu)以及溝道中二維電子氣的變化.

1 引 言

GaN基異質(zhì)結(jié)由于具有禁帶寬度大、擊穿電場強(qiáng)、電子飽和漂移速度高等特性, 使得由其制作的高頻大功率電子器件在衛(wèi)星通信、雷達(dá)、移動(dòng)基站、汽車電子等領(lǐng)域展現(xiàn)出極大的應(yīng)用潛力[1-3].自1993年第一只GaN基高電子遷移率晶體管(HEMT)器件被成功研制后[4], 隨著材料生長技術(shù)與器件工藝水平的逐步提高, HEMT器件的性能已得到顯著提升[5-10].然而該器件在高溫、高場下的性能退化問題一直是阻礙其進(jìn)一步商業(yè)化發(fā)展的關(guān)鍵難題[11,12].

近年來, 研究者們主要針對如何有效提高GaN基HEMT器件的性能與可靠性問題開展了大量的研究工作.HEMT器件性能與可靠性的改善措施主要可以分為兩類.一類是圍繞器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì), 如：場板技術(shù)[13,14](調(diào)制器件內(nèi)電場分布, 提高器件的擊穿電壓、減小電流崩塌效應(yīng)等)、凹柵技術(shù)[15,16](提高器件的柵控能力)以及鰭式晶體管技術(shù)[17,18](也稱為 Fin-FET, 通過增加?xùn)艠O圍繞溝道的面積, 加強(qiáng)柵對溝道的控制)等.另一類是圍繞GaN基異質(zhì)結(jié)材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì), 如：勢壘層減薄技術(shù)[19,20](減小柵長的同時(shí), 需要縮短柵極與溝道之間的距離, 抑制短溝道效應(yīng),提高器件的頻率特性和柵控能力)、帽層技術(shù)[21](增加肖特基接觸勢壘, 減小柵極漏電流)、組合勢壘[22]以及背勢壘技術(shù)[23,24](提高器件對溝道二維電子氣(2DEG)的限域性, 減小電流崩塌效應(yīng))等.上述結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施主要圍繞Ga極性面GaN基HEMT器件進(jìn)行.長期以來, 對于N極性面的材料與器件由于制備困難而相對研究較少.直到近年來, 隨著N極性面外延材料生長瓶頸的突破[25,26],研究人員開始將注意力轉(zhuǎn)移到N極性面材料與器件的研究中, 并成為新的研究熱點(diǎn)[27,28].

對于N極性面GaN基HEMT器件, 欲通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)有效提高器件的性能與可靠性, 前提需弄清材料結(jié)構(gòu)參數(shù)對器件性能的影響規(guī)律及其機(jī)理.雖然已有研究者分析了材料結(jié)構(gòu)對N極性面GaN/AlGaN異質(zhì)結(jié)中2DEG濃度的影響情況[29],但是關(guān)于材料結(jié)構(gòu)參數(shù)對N極性面GaN/InAlN HEMT器件性能的影響尚未見系統(tǒng)的研究報(bào)道.相比于N極性面GaN/AlGaN異質(zhì)結(jié), N極性面GaN/InAlN異質(zhì)結(jié)可通過調(diào)控InAlN材料的In組分使其與GaN達(dá)到晶格匹配.晶格匹配時(shí),InAlN的In組分為0.17—0.18.晶格匹配的GaN/InAlN異質(zhì)結(jié)界面處的極化差值與導(dǎo)帶帶階均遠(yuǎn)大于常規(guī)GaN/AlGaN異質(zhì)結(jié), 因此, N極性面GaN/InAlN異質(zhì)結(jié)具有更高的溝道2DEG濃度與更好的載流子限域性, 進(jìn)而使得相應(yīng)HEMT器件更適于高頻方面的應(yīng)用[30].此外, GaN/AlGaN HEMT器件在高溫高場下由于逆壓電效應(yīng)容易導(dǎo)致器件性能的退化, 而晶格匹配無應(yīng)力的GaN/InAlN HEMT可避免因逆壓電效應(yīng)引起的器件退化問題, 由此使得該器件在可靠性提升方面具有更大潛能.本文通過自洽求解薛定諤方程、泊松方程以及載流子連續(xù)性方程, 系統(tǒng)研究了GaN溝道層厚度、InAlN背勢壘層厚度對N極性面GaN/InAlN HEMT器件性能的影響規(guī)律及其物理機(jī)制.研究結(jié)果為N極性面GaN基HEMT器件中材料結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了重要的理論依據(jù).

2 器件結(jié)構(gòu)

由于纖鋅礦結(jié)構(gòu)的III族氮化物材料缺少反演對稱性, 導(dǎo)致該材料具有很強(qiáng)的極化效應(yīng).從襯底沿[0001]方向生長的Ga極性面材料與沿方向生長的N極性面材料, 由于原子排列方式的不同導(dǎo)致二者的極性相反.極化方向的不同使得在進(jìn)行GaN基HEMT異質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí), N極性面異質(zhì)結(jié)中2DEG溝道處于勢壘層的上方, 勢壘層成為天然背勢壘.而Ga極性面異質(zhì)結(jié)中2DEG溝道在勢壘層的下方.圖1為本文模擬所用的N極性面GaN/InAlN HEMT器件結(jié)構(gòu)示意圖.藍(lán)寶石襯底上外延層依次為非故意摻雜的GaN緩沖層、In0.18Al0.82N背勢壘層和GaN溝道層.由于器件中2DEG的主要來源為極化誘導(dǎo)電荷, 并且實(shí)際實(shí)驗(yàn)中非故意摻雜的GaN和InAlN材料中電子濃度均約為 1 × 1016cm—3.因此本文中 GaN 和InAlN 層內(nèi)的電子濃度均設(shè)為 1 × 1016cm—3.器件的柵長設(shè)為 0.35 μm, 源漏之間的距離為 2 μm, 器件表面使用 SiN材料進(jìn)行鈍化保護(hù).模擬中GaN溝道層厚度的變化范圍設(shè)為 5—18 nm,InAlN背勢壘層厚度的變化范圍為10—45 nm.

圖1 N 極性面 GaN/InAlN HEMT 結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1.Schematic of N-polar GaN/InAlN HEMT structure.

3 理論模型

為了得到各種GaN溝道層厚度與InAlN背勢壘層厚度下N極性面GaN/InAlN HEMT器件的直流輸出特性與轉(zhuǎn)移特性曲線, 進(jìn)而得出器件的飽和輸出電流密度、閾值電壓、跨導(dǎo)峰值等性能參數(shù), 本文采用數(shù)值計(jì)算方法自洽求解了薛定諤方程、泊松方程以及載流子連續(xù)性方程.

由于GaN/InAlN異質(zhì)結(jié)在界面處發(fā)生量子化效應(yīng), 形成了三角形量子阱.電子在界面勢阱中的波函數(shù)和能量本征值滿足薛定諤方程[31]

靜電勢可由泊松方程求得

式中?(z) 為靜電勢,ε為材料的介電常數(shù),q為電子電荷,為離化施主濃度,n(z) 為電子的濃度.

為求得外加電場作用下器件的電學(xué)特性, 除上述方程外, 還需用到載流子連續(xù)性方程.由于空穴和受主電荷對總的電荷與電流的貢獻(xiàn)很小, 計(jì)算中未考慮空穴與受主電荷的影響[31].電子的連續(xù)性方程為

式中Jn是電子的電流密度,Gn和Rn分別為電子的產(chǎn)生與復(fù)合率.

上述計(jì)算過程中, 采用了與實(shí)際情況相符的漂移-擴(kuò)散傳輸模型、費(fèi)米-狄拉克載流子統(tǒng)計(jì)模型以及Shockley-Read-Hall復(fù)合模型等[32-34].模擬中,在進(jìn)行HEMT器件材料結(jié)構(gòu)區(qū)域設(shè)置時(shí), 對于N極性面, GaN溝道層區(qū)域應(yīng)定義在InAlN背勢壘層區(qū)域上方.而Ga極性面中, 勢壘層區(qū)域應(yīng)定義在GaN溝道層上方.此外, N極性面的極化系數(shù)需設(shè)為正值, Ga極性面的極化系數(shù)為負(fù)值.

4 結(jié)果與討論

4.1 GaN溝道層厚度對N極性面GaN/InAlN HEMT性能的影響

對于Ga極性面HEMT器件, 為了提高器件的跨導(dǎo)與頻率特性, 需盡量減薄AlGaN或InAlN勢壘層的厚度.而對于N極性面GaN/InAlN HEMT器件, 增加背勢壘層厚度并不會(huì)導(dǎo)致器件跨導(dǎo)與輸出性能的下降, 在已有文獻(xiàn)報(bào)道中N極性面GaN/InAlN HEMT器件的InAlN層厚度通常為20 nm左右[35,36].因此, 模擬研究 GaN溝道層厚度對N極性面GaN/InAlN HEMT器件性能的影響時(shí),In0.18Al0.82N背勢壘層的厚度固定為 20 nm, GaN溝道層厚度的變化范圍為 5—18 nm.圖2(a)—(c)分別為不同GaN溝道層厚度下, HEMT器件的輸出特性 (Vgs= 0 V)、轉(zhuǎn)移特性 (Vds= 10 V)以及跨導(dǎo)曲線.

由圖2(a)可知, GaN溝道層厚度在5—15 nm范圍內(nèi), 器件的飽和輸出電流隨GaN溝道層厚度的增加而增大, 增加趨勢逐漸變緩.由圖2(b)和圖2(c)可看出, 隨著GaN溝道層厚度的增加, 器件的閾值電壓發(fā)生負(fù)向漂移, 跨導(dǎo)峰值逐漸減小,并且二者的變化趨勢也逐漸變緩.當(dāng)GaN溝道層厚度超過15 nm后, 器件的飽和輸出電流、閾值電壓基本趨于穩(wěn)定.

圖2 不同 GaN 溝道層厚度下, N 極性面 GaN/InAlN HEMT器件的(a) 輸出特性、(b) 轉(zhuǎn)移特性和(c) 跨導(dǎo)曲線Fig.2.(a) Output characteristics, (b) transfer characteristics, and (c) transconductance curves of N-polar GaN/In-AlN HEMTs with different GaN channel thicknesses.

為解釋上述現(xiàn)象, 模擬分析了不同GaN溝道層厚度下HEMT器件柵極下方GaN/In0.18Al0.82N/GaN異質(zhì)結(jié)的導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)與電子濃度的分布情況,結(jié)果見圖3(a)和圖3(b).由圖3(a)可看出, 當(dāng)GaN溝道層的厚度增加時(shí), 該層內(nèi)能帶的傾斜變緩, 即GaN溝道層內(nèi)總的內(nèi)建電場強(qiáng)度減小, 然而電勢能在該層的降落數(shù)值增大, 導(dǎo)致GaN/InAlN界面處三角勢阱變深, 進(jìn)而使得2DEG濃度隨之增大(圖3(b)).2DEG濃度的增大導(dǎo)致HEMT器件的飽和輸出電流增加, 耗盡溝道內(nèi)2DEG需要的負(fù)向柵壓也更大, 因此器件的閾值電壓發(fā)生負(fù)向漂移.此外, 增加GaN溝道層的厚度, 導(dǎo)致器件柵極與2DEG溝道之間的距離增大, 從而使得器件的跨導(dǎo)即柵控能力隨之下降.然而2DEG濃度不會(huì)隨GaN溝道層厚度的增加而一直增大, 當(dāng)GaN溝道層厚度超過15 nm后, 2DEG濃度基本趨于不變, 其主要原因可歸為表面態(tài)的電離情況.隨著GaN溝道層厚度的增大, 表面施主能級逐漸高于費(fèi)米能級, 使得表面態(tài)離化增加, 離化產(chǎn)生的電子在極化電場的作用下轉(zhuǎn)移到GaN/InAlN界面處形成2DEG.當(dāng)GaN溝道層厚度增大到一定值時(shí),表面態(tài)全部電離, 從而致使2DEG濃度不變.因此, 當(dāng) GaN 溝道層厚度超過 15 nm 后, 器件的飽和輸出電流、閾值電壓等參數(shù)基本趨于不變.

圖3 不同 GaN 溝道層厚度下, N 極性面 GaN/InAlN HEMT器件柵極下方的(a)導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)和(b)電子濃度分布圖Fig.3.(a) Conduction-band energy diagram and (b) electron distribution in N-polar GaN/InAlN HEMTs with different GaN channel thicknesses.

由上述分析可得, 在一定范圍內(nèi)增加GaN溝道層的厚度, 雖然可使得N極性面HEMT器件的2DEG濃度與飽和輸出電流增大, 即器件的功率性能可以得到提高, 但是器件的柵控能力(代表器件的工作頻率特性)下降.因此, 在進(jìn)行N極性面HEMT器件中GaN溝道層厚度參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí), 需要在器件的功率與頻率性能方面根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行權(quán)衡與折中考慮.

4.2 InAlN背勢壘層厚度對N極性面GaN/InAlN HEMT性能的影響

由于減薄N極性面HEMT中GaN溝道層厚度可直接縮小柵極與2DEG溝道之間的距離, 從而使得在稍微降低器件輸出性能的同時(shí)較大程度地提高器件的跨導(dǎo)即柵控能力, 使其更適于高頻應(yīng)用.因此, 模擬研究InAlN背勢壘層厚度對N極性面GaN/InAlN HEMT器件性能的影響時(shí), GaN溝道層厚度設(shè)為5 nm, In0.18Al0.82N背勢壘層厚度的變化范圍為 10—45 nm.圖4(a)—(c)分別為不同InAlN背勢壘層厚度下, HEMT器件的輸出特性 (Vgs= 0 V)、轉(zhuǎn)移特性 (Vds= 10 V)以及跨導(dǎo)曲線.

由圖4可看出, N極性面GaN/InAlN HEMT器件的飽和輸出電流與跨導(dǎo)峰值隨著InAlN背勢壘層厚度的增加而增大, 器件的閾值電壓發(fā)生負(fù)向漂移.上述變化趨勢隨著InAlN背勢壘層厚度的增加而逐漸變緩.當(dāng)InAlN厚度達(dá)40 nm時(shí), 器件的性能參數(shù)基本趨于穩(wěn)定.

為解釋上述現(xiàn)象, 模擬分析了不同InAlN背勢壘層厚度情況下, HEMT器件柵極下方GaN/In0.18Al0.82N/GaN異質(zhì)結(jié)的導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)與電子濃度的分布情況, 結(jié)果如圖5(a)和圖5(b)所示.由圖5(a)及其插圖可知, 增加InAlN背勢壘層的厚度, 其極化效應(yīng)相應(yīng)增強(qiáng), 導(dǎo)致GaN/InAlN界面處三角勢阱的深度增加, 相應(yīng) 2DEG限域性得到提高.2DEG限域性的提高使得器件的跨導(dǎo)即柵控能力增大.另外, 極化效應(yīng)的增強(qiáng)直接導(dǎo)致溝道內(nèi)2DEG濃度的增加(如圖5(b)所示).2DEG濃度的增大使得HEMT器件的飽和輸出電流增大, 與此同時(shí)耗盡溝道2DEG需要更大的柵極負(fù)偏壓,即閾值電壓發(fā)生負(fù)向漂移.

由以上分析可得, 適當(dāng)增加InAlN背勢壘層的厚度, 可使得N極性面HEMT器件的2DEG濃度、飽和輸出電流以及柵控能力得到提高.因此,在進(jìn)行N極性面GaN/InAlN HEMT器件材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí), 在保證材料生長質(zhì)量的基礎(chǔ)上應(yīng)適當(dāng)提高InAlN背勢壘層的厚度.

圖4 不同 InAlN 背勢壘層厚度下, N 極性面 GaN/InAlN HEMT器件的(a)輸出特性、(b) 轉(zhuǎn)移特性和(c)跨導(dǎo)曲線Fig.4.(a) Output characteristics, (b) transfer characteristics, and (c) transconductance curves of N-polar GaN/In-AlN HEMTs with different InAlN back barrier thicknesses.

將上述GaN溝道層厚度與InAlN背勢壘層厚度對器件性能影響的結(jié)果即圖2與圖3相比較可以看出, InAlN背勢壘層厚度對器件性能的影響更加顯著, 其內(nèi)在物理原因可歸于極化效應(yīng)對器件內(nèi)部能帶結(jié)構(gòu)與2DEG溝道的調(diào)控.由晶格匹配的InAlN/GaN異質(zhì)結(jié)中2DEG的產(chǎn)生機(jī)理, 即InAlN與GaN材料自發(fā)極化的差值以及二者的導(dǎo)帶帶階導(dǎo)致在界面處形成三角形量子勢阱并誘導(dǎo)產(chǎn)生2DEG溝道可知, InAlN層內(nèi)強(qiáng)的極化效應(yīng)是2DEG產(chǎn)生的關(guān)鍵因素.相比于GaN, InAlN材料具有更強(qiáng)的極化效應(yīng), 因此, 增加InAlN背勢壘層的厚度比增加GaN溝道層厚度對界面處三角勢阱深度的增加幅度更大, 相應(yīng)溝道限域性與2DEG濃度的增加量也更大, 進(jìn)而導(dǎo)致器件的飽和輸出電流與跨導(dǎo)極值的改變量更為顯著.

圖5 不同 InAlN 背勢壘層厚度下, N 極性面 GaN/InAlN HEMT器件柵極下方的(a)導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)(內(nèi)插圖為三角勢阱處導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)的局部放大圖), 以及(b) 電子濃度分布圖Fig.5.(a) Conduction-band energy diagram and (b) electron distribution in N-polar GaN/InAlN HEMTs with different InAlN back barrier thicknesses.The inset in panel(a) is the partial enlarged conduction-band energy of the rectangular quantum well.

為證明模擬結(jié)果的正確性與準(zhǔn)確度, 需將其與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證.Wong等[37]報(bào)道了GaN溝道層厚度對N極性面GaN/AlGaN HEMT器件中2DEG濃度影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果, GaN溝道層厚度在4—12 nm范圍內(nèi), 2DEG濃度隨厚度的增加而增大, 其變化規(guī)律與本文結(jié)果一致.另有王現(xiàn)彬等[29]報(bào)道了AlGaN背勢壘層厚度、GaN溝道層厚度對N極性面GaN/AlGaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中2DEG濃度與能帶影響的理論模擬, 其變化規(guī)律和趨勢也與本文結(jié)果基本一致.我們將在后續(xù)研究中進(jìn)一步開展與本文模擬工作相對應(yīng)的完整的實(shí)驗(yàn)對比驗(yàn)證工作.

5 結(jié) 論

本文通過自洽求解薛定諤方程、泊松方程以及載流子連續(xù)性方程, 模擬研究了材料結(jié)構(gòu)參數(shù)對N極性面GaN/InAlN HEMT器件性能的影響規(guī)律.研究發(fā)現(xiàn), 當(dāng) GaN 溝道層厚度從 5 nm 增加到15 nm時(shí), 可使得2DEG濃度與器件的飽和輸出電流增大, 即器件的功率性能可以得到提高, 其主要原因可歸于GaN溝道層厚度對器件內(nèi)部內(nèi)建電場與能帶結(jié)構(gòu)的影響.然而器件的柵控能力(代表器件的頻率特性)隨GaN溝道層厚度的增加而不斷下降.因此, 在進(jìn)行N極性面HEMT器件中GaN溝道層厚度參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí), 需要在器件的功率與頻率性能方面根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行權(quán)衡考慮.增加 InAlN 背勢壘層的厚度 (10—40 nm), 可使得GaN/InAlN界面三角量子阱變深, 溝道限域性提高, 進(jìn)而導(dǎo)致N極性面HEMT器件的2DEG濃度、飽和輸出電流以及柵控能力逐步得到提高.當(dāng)InAlN厚度超過40 nm后, 器件的飽和輸出電流、閾值電壓、跨導(dǎo)峰值基本趨于不變.因此, 在進(jìn)行N極性面GaN/InAlN HEMT器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí), 在保證材料生長質(zhì)量的基礎(chǔ)上應(yīng)適當(dāng)增加InAlN背勢壘層的厚度.