葛 梅，李 毅，王志亮，朱友華

（南通大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南通 226019）

氮化鎵（GaN）屬第三代半導(dǎo)體材料，具有禁帶寬度大、電子飽和速度高、且具有耐高溫、耐高壓、抗輻射等優(yōu)良特性，是制備電力電子器件的理想材料[1-2]。基于GaN 材料的高電子遷移率晶體管（high electron mobility transistor，HEMT）在高溫、高頻、大功率領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。其中，AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)是GaN 基HEMT 器件的基本結(jié)構(gòu)。由于GaN 材料獨(dú)特的自發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)，GaN 基HEMT 器件溝道處天然存在高濃度的二維電子氣（2DEG）[3]。因此傳統(tǒng)的GaN 基HEMT 器件在零柵偏壓下處于導(dǎo)通狀態(tài)，開啟電壓為負(fù)值，是常開型（耗盡型）器件。而為了簡化后期柵極驅(qū)動電路的設(shè)計，降低成本，工業(yè)界更需要常關(guān)型（增強(qiáng)型）器件[4]。

實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型器件的原理在于耗盡AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)處的2DEG，這可以通過器件工藝來實(shí)現(xiàn)，目前實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型器件的方法有：薄勢壘層[5]，凹槽柵工藝[6]、氟離子注入[7]和p 型柵結(jié)構(gòu)[8-10]。其中，p 型柵技術(shù)是通過在勢壘層上生長一層p-GaN 來耗盡溝道處的2DEG，這種方法工藝可控性強(qiáng)，能夠大規(guī)模重復(fù)生產(chǎn)，且能夠制備出高閾值電壓、低漏電流的器件，是極有發(fā)展前景的一種增強(qiáng)型方法。

在p 型柵結(jié)構(gòu)GaN 基HEMT 器件中，AlGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)是器件的主要結(jié)構(gòu)，溝道處形成的2DEG 的濃度和遷移率是影響器件性能的關(guān)鍵。AlGaN 勢壘層中Al 組分的選擇會對器件性能造成影響。提高Al 組分能夠提高器件中輸出電流及跨導(dǎo)[11]，且能夠降低器件的低頻噪聲[12]。然而一味地提高Al 組分也會對器件造成消極影響，研究發(fā)現(xiàn)高Al 組分會造成石墨烯AlGaN/GaN HEMT 器件柵極反向電流增大[13]。Al 組分的選取不僅會影響溝道中2DEG 的輸運(yùn)，濃度及遷移率[14]，也會影響半導(dǎo)體材料的應(yīng)力[15]及肖特基勢壘高度[16-17]。因此Al 組分的選取對GaN 基HEMT 器件的性能尤為重要。同時，當(dāng)AlGaN 勢壘層厚度越薄時，HEMT 器件接觸電阻越小，但是薄勢壘層會最終耗盡溝道2DEG，并且加大了電極接觸難度[18]。因此，對于器件中AlGaN 勢壘層厚度選擇需要進(jìn)一步優(yōu)化。

本文通過Silvaco TCAD 軟件仿真p 型柵結(jié)構(gòu)GaN 基HEMT 器件直流特性，對AlGaN 勢壘層厚度及其Al 組分進(jìn)行優(yōu)化，致力于提高器件閾值電壓及輸出飽和電流。同時，通過仿真器件關(guān)態(tài)時的能帶結(jié)構(gòu)及開態(tài)時溝道中的電子濃度，進(jìn)一步分析Al 組分及AlGaN 勢壘層厚度對器件性能影響的物理機(jī)制。

1 器件結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖1 所示為p 型柵結(jié)構(gòu)GaN 基HEMT 器件結(jié)構(gòu)圖，包含一個50 nm 的p 型GaN 蓋帽層，其中p 型GaN 中空穴濃度設(shè)為3 × 1017cm-3，用來調(diào)節(jié)AlGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)能帶結(jié)構(gòu)，耗盡溝道中的二維電子氣（2DEG），使器件達(dá)到增強(qiáng)型性能。器件結(jié)構(gòu)還包括一個厚度及組分可調(diào)的AlGaN 勢壘層，及一個2 μm 的非故意摻雜GaN 緩沖層，其背景載流子濃度為1 × 1016cm-3。器件的源漏電極與GaN 層之間為歐姆接觸，柵極與p 型GaN 之間為肖特基接觸。器件柵長設(shè)為1 μm，柵源之間距離設(shè)為1 μm，柵漏之間距離設(shè)為6 μm[19]。

圖1 p 型柵結(jié)構(gòu)GaN 基HEMT 器件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Cross-sectional schematic of the p-GaN gate AlGaN/GaN HEMT

2 結(jié)果與討論

2.1 仿真介紹

本文采用Silvaco TCAD 軟件對p 型柵結(jié)構(gòu)GaN 基HEMT 器件進(jìn)行模擬，主要研究方法是利用泊松方程和載流子連續(xù)性方程用計算機(jī)進(jìn)行模擬計算，采用牛頓迭代法求解非線性代數(shù)方程直到自洽。文中采用Schockley-Read-Hall 復(fù)合模型來模擬器件中的缺陷效應(yīng)[20]；考慮到GaN 材料的自發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)，引入極化模型[21]；采用低場遷移率模型及氮化物高場遷移率模型用來模擬電子的散射機(jī)制[22]。本文仿真中的溫度默認(rèn)為室溫。

2.2 器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化

首先，我們研究AlGaN 勢壘層厚度及其Al 組分對p 型柵結(jié)構(gòu)GaN 基HEMT 器件閾值電壓的影響。如圖2（a）所示為3 種不同Al 組分條件下P 型柵結(jié)構(gòu)GaN 基HEMT 器件的轉(zhuǎn)移特性曲線，漏端電壓（VD）設(shè)置為5 V，柵極電壓為0～7 V。Al 組分分別設(shè)為0.25，0.27 和0.29，這3 種Al 組分對應(yīng)的器件閾值電壓分別為0.9，0.6 和0.4 V（閾值電壓取曲線線性部分與橫軸的交點(diǎn)）。因此，隨著Al 組分的增加，器件閾值電壓減小。圖2（b）為3 種AlGaN 勢壘層厚度條件下p 型柵結(jié)構(gòu)GaN 基HEMT 器件的轉(zhuǎn)移特性曲線，同樣地，漏端電壓設(shè)為5 V，柵極電壓為0～5 V。由圖可知，當(dāng)AlGaN 勢壘層厚度為15，20 和25 nm 時，對應(yīng)的器件閾值電壓分別為1.4，0.6 和0.1 V。因此器件的閾值電壓隨AlGaN 勢壘層厚度的增加而減小。

圖2 不同條件下的p 型柵結(jié)構(gòu)GaN 基HEMT 器件轉(zhuǎn)移特性曲線圖Fig.2 Transfer characteristics of the device with different Al mole fractions and different thicknesses of the p-GaN gate AlGaN barrier

我們還研究了AlGaN 勢壘層厚度及其Al 組分對p 型柵結(jié)構(gòu)GaN 基HEMT 器件輸出特性的影響。如圖3（a）所示為3 種不同Al 組分情況下器件的輸出特性曲線，其中柵極電壓（VG）設(shè)為5 V，漏極電壓為0～35 V。當(dāng)漏極電壓逐漸增大時，漏端電流逐漸增大并趨于飽和。這是由于隨著漏端電壓增大，在柵極電壓不變的情況下，溝道中的電子逐漸被吸引到漏端，導(dǎo)致漏端電流增大。而當(dāng)漏端電流大到一定程度時，溝道中所有電子都被吸引到漏端，此時的漏端電流為最大輸出飽和電流。我們?nèi)艍簽? V，漏端電壓為30 V 時的漏端電流為器件最大輸出飽和電流，由圖3（a）可知，當(dāng)Al 組分為0.25，027，0.29 時，器件最大輸出飽和電流分別為0.20，0.23 和0.25 A/mm，因此器件最大輸出飽和電流隨Al 組分的增加而增加。同樣地，我們給出了3種不同AlGaN 勢壘層厚度情況下器件的輸出特性曲線，柵極電壓設(shè)置為5 V，漏極電壓為0～35 V。如圖3（b）所示，當(dāng)AlGaN 勢壘層厚度為15，20 和25 nm 時，器件最大輸出飽和電流分別為0.20，0.23和0.26 A/mm，因此器件最大輸出飽和電流隨Al-GaN 勢壘層厚度的增加而增加。

圖3 不同條件下的p 型柵結(jié)構(gòu)GaN 基HEMT 器件輸出特性曲線圖Fig.3 Output characteristics of the device with different Al mole fractions and different thicknesses of the p-GaN gate AlGaN barrier layer

圖4（a）給出了Al 組分與器件閾值電壓、最大輸出飽和電流之間的關(guān)系。由圖可知，當(dāng)Al 組分增加時，器件閾值電壓減小，而最大輸出飽和電流增加。通常，我們需要閾值電壓更大的器件使器件能夠在高熱量情況下正常工作，而更大的輸出飽和電流則表明器件具有更大的輸出功率。因此，我們需要通過優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)得到更大的器件閾值電壓和更大的輸出飽和電流。適當(dāng)?shù)靥岣逜l 組分能夠提高器件的輸出飽和電流，但是會導(dǎo)致閾值電壓的降低，綜合考慮，本文我們將Al 組分優(yōu)化為折中值0.27。

圖4 Al 組分和AlGaN 勢壘層厚度與器件閾值電壓及輸出飽和電流關(guān)系曲線圖Fig.4 Trade-off between threshold voltage and saturation output drain current of the device with different Al mole fractions and different thicknesses of AlGaN barrier layer

同樣地，我們給出了AlGaN 勢壘層厚度與器件閾值電壓和輸出飽和電流關(guān)系，如圖4（b）所示，隨著AlGaN 勢壘層厚度的增加，p 型柵結(jié)構(gòu)GaN 基HEMT 器件輸出飽和電流增加，但是器件閾值電壓減小。因此，為了同時得到較大的器件輸出飽和電流和閾值電壓，我們選取折中值，將AlGaN 勢壘層厚度優(yōu)化為20 nm。

2.3 討論與分析

為了進(jìn)一步分析不同AlGaN 勢壘層厚度及其Al 組分對器件閾值電壓影響的原因，我們仿真了柵壓為0 V 時器件的導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)。圖5（a）是Al 組分為0.25，0.27，0.29 時p 型柵結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN HEMT 器件導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)圖，此時器件處于關(guān)斷狀態(tài)，AlGaN/GaN溝道中沒有電子聚集，由圖可知，Al 組分的不同導(dǎo)致了器件關(guān)態(tài)下導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)的不同。器件閾值電壓是指柵極電壓足夠使器件溝道處能帶彎曲形成勢阱，電子在勢阱中聚集，當(dāng)漏端施加電壓時，電子被漏端吸引形成漏極電流，此時的柵極電壓稱為閾值電壓。因此器件閾值電壓的大小與器件能帶結(jié)構(gòu)有關(guān)，由圖5（a）所示，Al 組分為0.29 時p 型GaN 與AlGaN 異質(zhì)結(jié)處的導(dǎo)帶彎曲程度最小，因此施加最小的電壓能夠使器件處于導(dǎo)通狀態(tài)，因此Al 組分為0.29 時器件閾值電壓最小。同樣地，如圖5（b）所示為AlGaN 勢壘層厚度取15，20 和25 nm 時器件導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)圖，由圖可知，AlGaN 勢壘層厚度為25 nm時，p-GaN 與AlGaN 異質(zhì)結(jié)處導(dǎo)帶彎曲程度最小，因此此時器件閾值電壓最小，隨著勢壘層厚度減小，p-GaN 與AlGaN 異質(zhì)結(jié)處導(dǎo)帶彎曲程度增加，器件閾值電壓增加。

圖5 柵壓為0 V 時不同條件下的p 型柵結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN HEMT 器件導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Conduction band diagrams of the p-GaN gate AlGaN/GaN HEMT with different Al mole fractions and different thicknesses of AlGaN barrier,where gate voltage is 0 V

為了進(jìn)一步研究AlGaN 厚度及其Al 組分對器件飽和輸出電流的影響，我們仿真了柵壓為5 V 時p 型柵結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN HEMT 器件導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)，如圖6 所示。此時器件處于開態(tài)，大量電子在AlGaN/GaN勢阱中聚集，形成溝道，當(dāng)漏端施加電壓時電子會被漏端吸引形成輸出電流。圖6（a）為3 種不同Al組分情況下柵壓為5 V 時器件的導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)，由圖可知，Al 組分的改變會影響器件開態(tài)時的導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)，從而影響器件的輸出電流。圖6（b）為3 種不同AlGaN 勢壘層厚度情況下器件開態(tài)時的導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)圖，同樣地，AlGaN 勢壘層的厚度也會影響器件開態(tài)時的導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)。

圖6 柵壓為5 V 時不同條件下的p 型柵結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN HEMT 器件導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Conduction band diagrams of the p-GaN gate AlGaN/GaN HEMT with different Al mole fractions and different thicknesses of AlGaN barrier,where gate voltage is 5 V

器件在開態(tài)時，大量電子會在AlGaN/GaN 溝道中聚集，且溝道越深，則表明電子聚集越多，溝道中電子的濃度會影響器件輸出電流。因此我們仿真了柵壓為5 V 時AlGaN/GaN 溝道中的電子濃度，以便直觀地得到器件開態(tài)時溝道中電子濃度。圖7（a）為AlGaN/GaN 溝道中電子濃度大小與Al 組分的關(guān)系。當(dāng)Al 組分增加時，溝道中電子濃度增加，因此器件輸出電流增加，如圖3（a）所示。圖7（b）為電子濃度大小與AlGaN 勢壘層厚度的關(guān)系，隨著AlGaN勢壘層厚度的增加，溝道中電子濃度增加，因此器件輸出電流隨AlGaN 勢壘層厚度的增加而增加，如圖3（b）所示。

圖7 不同Al 組分和不同AlGaN 勢壘層厚度與AlGaN/GaN 溝道電子濃度關(guān)系曲線圖Fig.7 Electron concentrations in the AlGaN/GaN channel with different Al mole fractions and different thicknesses of AlGaN barrier

3 結(jié)論

本文通過Silvaco TCAD 軟件，優(yōu)化了p 型柵結(jié)構(gòu)GaN 基HEMT 器件AlGaN 勢壘層厚度及其Al組分。仿真結(jié)果表明，當(dāng)Al 組分為0.25，0.27，0.29時，隨著Al 組分的增加，器件輸出電流增加，閾值電壓減小；當(dāng)AlGaN 勢壘層厚度設(shè)為15，20 和25 nm時，隨著AlGaN 勢壘層厚度的增加，器件輸出電流增加，而閾值電壓減小。通過進(jìn)一步仿真器件關(guān)態(tài)、開態(tài)時的導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)，及開態(tài)時溝道中的電子濃度，分析了AlGaN 厚度及其Al 組分的改變會影響器件能帶結(jié)構(gòu)及溝道中電子濃度大小，從而影響器件閾值電壓及輸出電流。為了能夠同時得到較大的閾值電壓以及輸出電流，我們將器件Al 組分優(yōu)化為0.27，AlGaN 勢壘層厚度優(yōu)化為20 nm。