陸志航，葛明昌，周國(guó)友

合肥工業(yè)大學(xué)，安徽合肥，230000

0 引言

近年來(lái)，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線通信行業(yè)也迎來(lái)了巨大的變革，無(wú)線通信模塊、衛(wèi)星通信、雷達(dá)以及電子對(duì)抗等都離不開射頻前端組件。對(duì)于整個(gè)射頻前端組件，射頻功率放大器是其中最重要的電路，直接影響著整個(gè)射頻前端系統(tǒng)的飽和輸出功率、帶寬和功耗等重要射頻性能指標(biāo)。GaN HEMT微波功率器件優(yōu)越的電學(xué)和熱學(xué)性能使其在高頻射頻功率放大器領(lǐng)域有所發(fā)展，帶來(lái)了高功率和寬頻帶射頻功率放大器能力的突破。GaN材料由于其高電子遷移率、寬禁帶、高電子飽和度、高擊穿電壓以及高熱導(dǎo)率等優(yōu)良的物理特性[1]，極大地彌補(bǔ)了之前兩代Si、GaAs半導(dǎo)體器件在高溫、高功率和高頻等方面的不足。GaN HEMT器件作為GaN材料的重要應(yīng)用，已經(jīng)在航空航天和5G移動(dòng)通信基站[2]等方面扮演著極其重要的角色，為下一代高頻通信網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)了更高的功率輸出、更理想的線性度和更低的功耗等性能條件[3]。

然而由于GaN材料的獨(dú)特性，GaN HEMT微波功率器件的可靠性問(wèn)題仍然是人們重點(diǎn)關(guān)注和積極研究的對(duì)象，特別是半導(dǎo)體器件在高溫和高功率的運(yùn)行條件下，熱電子效應(yīng)導(dǎo)致器件性能退化已經(jīng)成為應(yīng)用中的關(guān)鍵影響因素。

1 熱電子效應(yīng)

AlGaN/GaN HEMT的器件結(jié)構(gòu)類似于MOSFET，兩者都是通過(guò)對(duì)器件施加?xùn)艠O偏壓來(lái)控制器件溝道導(dǎo)通電阻的方式即溝道的導(dǎo)通與關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)三端器件（如HEMT等）的控制。但AlGaN/GaN HEMT器件可以在不摻雜的情況下產(chǎn)生高電子遷移率的二維電子氣，其主要原理是在AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面處，由于壓電極化效應(yīng)和自發(fā)極化效應(yīng)的綜合極化效應(yīng)形成較強(qiáng)的內(nèi)建電場(chǎng)，如圖1所示，會(huì)影響AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)材料的能帶結(jié)構(gòu)，造成的能帶差ΔEc會(huì)使得異質(zhì)結(jié)界面的GaN一側(cè)形成又深又窄的量子阱，可吸引大量材料中的自由電子集聚在量子阱中，從而產(chǎn)生高濃度的2DEG。

因此在熱電子效應(yīng)中，GaN HEMT在一定的直流電應(yīng)力下，器件溝道中的電子會(huì)在電場(chǎng)的作用下吸收能量，當(dāng)吸收的能量較多時(shí)，電子的散射作用會(huì)將多余的能量傳遞給不同晶格以及其他電子，從而達(dá)到一種平衡狀態(tài)。如圖1所示，電子在溝道強(qiáng)橫向電場(chǎng)作用下，電子加速使其獲得了極大的動(dòng)能，此時(shí)電子獲得的能量大于電子釋放傳遞的能量，稱之為高能熱電子。這些高能熱電子由于其能量較大，會(huì)脫離異質(zhì)結(jié)界面GaN一側(cè)的量子阱的束縛，開始在垂直方向運(yùn)動(dòng)，從而躍出AlGaN/GaN量子阱勢(shì)壘，向其他如緩沖層和介質(zhì)層等材料層中的陷阱填充，還會(huì)與材料晶格碰撞并且在半導(dǎo)體材料中形成新的陷阱，從而導(dǎo)致HEMT器件的電學(xué)性能產(chǎn)生退化[4]，如漏源飽和電流降低、閾值電壓正向漂移和跨導(dǎo)降低等。所以在器件可靠性問(wèn)題中，熱電子效應(yīng)已經(jīng)成了半導(dǎo)體科研領(lǐng)域的主要研究對(duì)象。

圖1 AlGaN/GaN HEMT能帶與熱電子效應(yīng)示意圖

2 熱電子應(yīng)力退化研究

本文研究的AlGaN/GaN HEMT微波功率器件從下至上分別有五層結(jié)構(gòu)，器件的縱向結(jié)構(gòu)參數(shù)包括：第一層是厚度為19μm的6H-SiC襯底；第二層是在6H-SiC襯底層上外延生長(zhǎng)的一層厚度為1μm的GaN緩沖層；第三層是厚度為0.025μm的AlGaN勢(shì)壘層，其中Al組分為28%；第四層是將金屬材料電極制作在外延層中；第五層是厚度為0.5μm的Si3N4鈍化層。器件的橫向結(jié)構(gòu)參數(shù)包括：柵極長(zhǎng)度LG為0.25μm；柵極和源極的距離LGS為0.8μm；柵極和漏極的距離LGD為3μm。

在熱電子應(yīng)力研究之前，在TCAD中設(shè)置陷阱位置、陷阱類型、陷阱濃度以及陷阱能級(jí)，并且需要定義電子俘獲截面，以達(dá)到仿真期間中陷阱由熱電子填充的目的，從而導(dǎo)致器件電學(xué)特性的變化。本文在AlGaN勢(shì)壘層、GaN緩沖層以及AlGaN勢(shì)壘層表面添加陷阱，陷阱類型均設(shè)置為受主陷阱，陷阱濃度大小均選擇為5×1011cm-2[5]，陷阱能級(jí)均選擇為深能級(jí)0.6eV[6]。選擇半開態(tài)應(yīng)力進(jìn)行器件熱電子應(yīng)力前后對(duì)器件輸出特性的研究，應(yīng)力條件為：柵源電壓VGS為-1.52V，即此時(shí)器件溝道處于半開啟狀態(tài)，漏源電壓VDS為從0V掃描到30V，應(yīng)力時(shí)長(zhǎng)分別為1s、10s、100s、1000s、10000s。

如圖2所示，為器件在施加熱電子應(yīng)力前后，器件輸出特性隨應(yīng)力時(shí)間發(fā)生的變化。圖中熱電子應(yīng)力時(shí)長(zhǎng)1s、10s、100s、1000s和10000s，對(duì)應(yīng)半開狀態(tài)下的AlGaN/GaN HEMT器件漏源飽和電流IDS（sat）分別為318.82mA/mm、255.73mA/mm、170.83mA/mm、123.17mA/mm和107.21mA/mm，相對(duì)于器件熱電子應(yīng)力前的漏源飽和電流（350.43mA/mm）分別退化了9.1%、27.0%、51.2%、64.8%和69.4%，即熱電子應(yīng)力時(shí)間從1s增加到10000s，器件飽和輸出電流的退化量也隨著應(yīng)力時(shí)間變大，并在長(zhǎng)時(shí)間應(yīng)力下輸出特性退化速度趨于平緩[7]。

圖2 熱電子應(yīng)力前后器件的輸出特性和轉(zhuǎn)移特性

下面對(duì)器件熱電子應(yīng)力下的轉(zhuǎn)移特性退化情況進(jìn)行研究，應(yīng)力條件為：柵源電壓VGS從-4V掃描到0V，漏源電壓VDS為28V，應(yīng)力時(shí)長(zhǎng)分別為1s、10s、100s、1000s、10000s。如圖2所示，器件在施加熱電子應(yīng)力前后，轉(zhuǎn)移特性隨應(yīng)力時(shí)間發(fā)生了較大的變化。熱電子應(yīng)力時(shí)長(zhǎng)1s、10s、100s、1000s和10000s，對(duì)應(yīng)的AlGaN/GaN HEMT器件的閾值電壓Vth大小分別為-3.01V、-2.76V、-2.49V、-2.27V和-2.18V。相對(duì)于器件熱電子應(yīng)力前的閾值電壓Vth（-3.08V）分別退化了2.3%、10.4%、19.1%、26.3%和29.2%。對(duì)比器件熱電子應(yīng)力前的閾值電壓，可以觀察到HEMT器件在熱電子應(yīng)力后，Vth顯著發(fā)生正向漂移[8]，并在長(zhǎng)時(shí)間應(yīng)力下閾值電壓正向漂移現(xiàn)象趨于穩(wěn)定，這是由于隨著熱電子應(yīng)力時(shí)間增加，高能熱電子脫離器件異質(zhì)結(jié)界面的量子阱并被材料的受主類型陷阱俘獲，填充的半導(dǎo)體材料的受主類型陷阱達(dá)到平衡狀態(tài)，從而離化的受主類型陷阱對(duì)溝道二維電子氣耗盡引起的電學(xué)特性退化也達(dá)到了平衡狀態(tài)。

3 源場(chǎng)板結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN HEMT器件研究

本節(jié)針對(duì)熱電子效應(yīng)引起AlGaN/GaN HEMT器件電學(xué)性能退化的結(jié)果，提出一種AlGaN/GaN HEMT器件源場(chǎng)板結(jié)構(gòu)，對(duì)加入場(chǎng)板結(jié)構(gòu)后的器件進(jìn)行TCAD電學(xué)仿真，研究場(chǎng)板結(jié)構(gòu)對(duì)器件熱電子效應(yīng)的影響，并提出優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)的方案，從而有效抑制熱電子效應(yīng)引起的器件電學(xué)特性的退化行為。

在源場(chǎng)板結(jié)構(gòu)中，場(chǎng)板與源極金屬材料相連接并延伸到HEMT器件柵極與漏極之間上方區(qū)域，通過(guò)場(chǎng)板在靠近漏極金屬一側(cè)創(chuàng)造一個(gè)電場(chǎng)峰來(lái)調(diào)制柵極與漏極之間的電場(chǎng)，極大降低柵極邊緣電場(chǎng)峰值，并且擴(kuò)展整個(gè)器件的電場(chǎng)分布和使電場(chǎng)平滑化，從而降低器件溝道中因橫向高場(chǎng)應(yīng)力加速獲得極大能量的熱電子數(shù)量，抑制器件的高能熱電子填充半導(dǎo)體材料中陷阱的現(xiàn)象，減小器件如輸出電流降低和閾值電壓正向漂移降低的退化量，優(yōu)化器件性能[9]。

3.1 源場(chǎng)板結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN HEMT器件參數(shù)優(yōu)化

如圖3所示，源場(chǎng)板下端到AlGaN勢(shì)壘層表面的距離HFP為50nm、100nm、150nm和200nm對(duì)應(yīng)的器件柵極下方溝道沿X軸方向的電場(chǎng)峰值分別為8.37×105V/cm、9.59×105V/cm、10.98×106V/cm和12.03×106V/cm，相比于無(wú)場(chǎng)板結(jié)構(gòu)器件溝道電場(chǎng)峰值（1.44×106V/cm）均有所降低[10]。其中源場(chǎng)板距離勢(shì)壘層表面為200nm的器件，由于場(chǎng)板靠近漏極邊緣的電場(chǎng)峰值離AlGaN勢(shì)壘層表面的距離較大，因此無(wú)法對(duì)AlGaN/GaN HEMT器件的溝道電場(chǎng)起到較大的調(diào)制作用。場(chǎng)板距離勢(shì)壘層為150nm的器件溝道在靠近場(chǎng)板邊緣處有較小的電場(chǎng)，因此，為了使源場(chǎng)板達(dá)到調(diào)節(jié)電場(chǎng)分布并降低柵極下方溝道電場(chǎng)峰值的效果，HFP需要取較小的值，即源場(chǎng)板下端到AlGaN勢(shì)壘層表面的距離較小。

圖3 不同源場(chǎng)板高度與長(zhǎng)度器件溝道電場(chǎng)分布情況

源場(chǎng)板長(zhǎng)度LFP為1.2μm、1.6μm、2.0μm和2.4μm，對(duì)應(yīng)的器件柵極下方溝道沿X軸方向的電場(chǎng)峰值大小分別為8.50×105V/cm、9.21×105V/cm、9.32×105V/cm和8.43×105V/cm，相比于無(wú)場(chǎng)板結(jié)構(gòu)器件溝道的電場(chǎng)峰值均有所降低。當(dāng)AlGaN/GaN HEMT源場(chǎng)板長(zhǎng)度LFP為1.2μm時(shí)，由于場(chǎng)板靠漏極一側(cè)邊緣的電場(chǎng)峰值接近器件柵極邊緣的電場(chǎng)峰值，因此對(duì)溝道的電場(chǎng)范圍調(diào)制不均勻。源場(chǎng)板長(zhǎng)度LFP為2μm時(shí)，源場(chǎng)板對(duì)溝道電場(chǎng)峰值的調(diào)制效果較好，此時(shí)源場(chǎng)板下方的電場(chǎng)峰值最低，并且溝道沿X軸方向的電場(chǎng)分布較為均勻。

3.2 源場(chǎng)板結(jié)構(gòu)器件熱電子應(yīng)力退化研究

本小節(jié)將針對(duì)源場(chǎng)板結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN HEMT器件通過(guò)仿真研究在熱電子應(yīng)力下器件的電學(xué)性能退化行為，并與前文無(wú)場(chǎng)板結(jié)構(gòu)器件的仿真結(jié)果相比較。在TCAD中所使用的AlGaN/GaN HEMT微波功率器件基本結(jié)構(gòu)與前文所使用的器件結(jié)構(gòu)完全一致，并且綜合前文不同源場(chǎng)板結(jié)構(gòu)器件對(duì)柵極下溝道電場(chǎng)峰值的調(diào)制優(yōu)化效果，如圖4所示，在原本的HEMT器件中增加長(zhǎng)度LFP為2μm和源場(chǎng)板下端到AlGaN勢(shì)壘層表面的距離HFP為50nm的源場(chǎng)板結(jié)構(gòu)，熱電子應(yīng)力與前文一致。

圖4 源場(chǎng)板AlGaN/GaN HEMT器件結(jié)構(gòu)

如圖5所示為源場(chǎng)板結(jié)構(gòu)器件在半開狀態(tài)下熱電子應(yīng)力10s內(nèi)的輸出特性和轉(zhuǎn)移特性。其中漏源飽和電流IDS（sat）為274mA/mm，與前文相同熱電子應(yīng)力條件下的無(wú)場(chǎng)板結(jié)構(gòu)HEMT器件相比，源飽和電流退化量從27.0%下降到了20.9%。同樣的熱電子應(yīng)力下，閾值電壓Vth發(fā)生了正向漂移現(xiàn)象，Vth的大小為-2.83V，與無(wú)場(chǎng)板結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN HEMT器件相比，閾值電壓的正漂現(xiàn)象從10.4%優(yōu)化到了6.9%。

圖5 熱電子應(yīng)力前后源場(chǎng)板結(jié)構(gòu)器件的輸出特性和轉(zhuǎn)移特性

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)AlGaN/GaN HEMT微波功率器件的熱電子效應(yīng)進(jìn)行了研究，并提出了一種HEMT器件源場(chǎng)板結(jié)構(gòu)，能夠抑制熱電子效應(yīng)，從而優(yōu)化器件性能。相信隨著AlGaN/GaN HEMT微波功率器件熱電子效應(yīng)的深入探究與優(yōu)化，未來(lái)HEMT器件將在航空航天和5G移動(dòng)通信基站等多領(lǐng)域扮演著更加重要的角色，為國(guó)家科技戰(zhàn)略以及國(guó)防事業(yè)做出卓越的貢獻(xiàn)。