李晗溱,宓珉瀚,周雨威,龔 燦,馬曉華

(西安電子科技大學(xué) 微電子學(xué)院,西安 710071)

0 引言

第三代半導(dǎo)體材料GaN具有寬禁帶、高電子飽和速度[1]的優(yōu)勢,使其能夠兼顧更高的工作頻率與更大的輸出功率密度[2-6]。GaN基HEMT器件的柵長一般在納米尺度,因此會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的短溝道效應(yīng)和源漏穿通效應(yīng)[7],使器件緩沖層的泄漏電流很大,甚至無法夾斷。緩沖層的泄漏電流會(huì)嚴(yán)重限制器件的頻率和功率特性,但采用強(qiáng)極化勢壘AlN[8]則可以改善此現(xiàn)象,由于AlN/GaN異質(zhì)結(jié)的自發(fā)極化和壓電極化[9-10]很強(qiáng),因此可以在AlN勢壘很薄的情況下產(chǎn)生很高的二維電子氣密度,從而提高器件的縱橫比、抑制短溝道效應(yīng)[11]。2008年,Zimmermann等[12]制備出勢壘層厚度為3.5 nm的AlN/GaN HEMT,測得峰值跨導(dǎo)為480 mS/mm,電流截止頻率fT和最高振蕩頻率fmax分別為52 GHz和60 GHz。2011年,Medjdoub等[13]在4英寸硅襯底上通過MOCVD生長出勢壘層厚度為6 nm的AlN/GaN異質(zhì)結(jié),并在該外延片上制備出柵長為160 nm的器件,器件的最大跨導(dǎo)為600 mS/mm。fT和fmax分別可達(dá)103 GHz和162 GHz。2012年,Shinohara等[14]在SiC襯底上制備的20 nm柵長的AlN/GaN HEMT的最大飽和電流密度可以達(dá)到4 A/mm,最大跨導(dǎo)超過1 S/mm,fT和fmax分別高達(dá)342 GHz和518 GHz。2015年,Shinohara等[15]又報(bào)道了電流截止頻率fT為454 GHz、最高振蕩頻率fmax為444 GHz的AlN/GaN HEMT?？梢?AlN作為強(qiáng)極化勢壘層能產(chǎn)生較高的截止頻率,再結(jié)合減薄勢壘層厚度或減小柵長可以進(jìn)一步優(yōu)化器件頻率特性。因此,AlN/GaN HEMT器件在未來高頻應(yīng)用方面有極大的潛力。

本文借助二維器件仿真工具Silvaco TCAD,系統(tǒng)分析對比了不同勢壘結(jié)構(gòu)以及不同尺寸柵長對器件的特性影響。從而研究器件縱橫比與閾值電壓、最大直流跨導(dǎo)、截止頻率等參數(shù)的關(guān)系,在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化器件結(jié)構(gòu),旨在為后續(xù)的器件制備提供理論依據(jù)。

1 器件結(jié)構(gòu)與研究方法

本文仿真采用的器件結(jié)構(gòu)如圖1所示,柵源間距Lgs為0.9 μm,柵漏間距Lgd為2 μm,柵長Lg可調(diào);GaN溝道層厚度為400 nm,緩沖層厚度為500 nm,SiN厚度為2 nm,AlN勢壘層厚度可調(diào)。

圖1 器件結(jié)構(gòu)示意圖

仿真時(shí)采用的物理模型分別為能帶定義模型K.P模型、SRH(Shockley-Read-Hall)復(fù)合模型、平行電場依賴模型fldmob(其中電子遷移率MU0=750 cm2/V·s,電子飽和速度VSATN=8.2×106cm/s)以及極化模型。定義勢壘層、溝道層與緩沖層的摻雜濃度為1015cm-2。

在上述器件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,首先固定柵長為100 nm,勢壘層厚度分別取2.5 nm、4 nm、5 nm和6 nm。對其進(jìn)行直流特性及小信號特性的仿真,對比得出勢壘層厚度的最優(yōu)值為4 nm。確定勢壘層厚度后,對柵長分別為50 nm、100 nm、150 nm和200 nm的器件進(jìn)行直流特性及小信號特性的仿真,研究器件的柵長與閾值電壓(Vth)、最大直流跨導(dǎo)(Gm.max)、截止頻率(fT&fmax)等電學(xué)參數(shù)的關(guān)系,進(jìn)而分析了器件縱橫比與短溝道效應(yīng)的關(guān)系以及由于短溝道效應(yīng)引起器件特性退化的原因[16],最終確定最優(yōu)柵長。

2 結(jié)果與討論

2.1 勢壘層結(jié)構(gòu)優(yōu)化

柵長為100 nm的具有不同勢壘厚度的AlN/GaN HEMT器件的轉(zhuǎn)移和輸出特性曲線如圖2和圖3所示。對器件的轉(zhuǎn)移特性進(jìn)行仿真時(shí),將漏極電壓Vds偏置為6 V,柵壓Vgs從-6 V掃描至2 V;對器件的輸出特性進(jìn)行仿真時(shí),器件的漏極電壓Vds從0 V掃描至10 V,柵壓取2 V～-8 V,步長為1 V,圖中僅對Vgs=2 V時(shí)的最大飽和電流作對比。

圖2 不同勢壘層厚度的AlN HEMT轉(zhuǎn)移特性曲線

圖3 不同勢壘層厚度的AlN HEMT輸出特性曲線

從轉(zhuǎn)移特性曲線中可以看到,器件閾值電壓隨勢壘層厚度的增加負(fù)漂,這是因?yàn)閯輭驹胶?二維電子氣(two-dimensional electron gas,2DEG)密度越大,需要更負(fù)的柵極偏置來耗盡2DEG,實(shí)現(xiàn)器件關(guān)斷。勢壘層厚度為4 nm時(shí)跨導(dǎo)最大(592 mS/mm),跨導(dǎo)隨勢壘層厚度的增加先增大后減小。在勢壘層厚度大于4 nm時(shí),跨導(dǎo)隨勢壘層厚度的增大而減小,主要原因在于隨著勢壘層厚度的增加,柵極對溝道電子的控制能力減弱,即跨導(dǎo)與勢壘層厚度成反比,如式(1)所列。隨著AlN勢壘層厚度的增加,AlN勢壘層中會(huì)出現(xiàn)局部弛豫現(xiàn)象,這會(huì)產(chǎn)生更多的失配位錯(cuò),失配位錯(cuò)的增加會(huì)對界面質(zhì)量造成不利影響,進(jìn)而增強(qiáng)了散射機(jī)制對遷移率的影響[11,17]。與此同時(shí),隨著勢壘層厚度的增加,2DEG密度增加,意味著2DEG更接近界面更容易受到散射機(jī)制的影響,從而降低遷移率,影響跨導(dǎo)。而當(dāng)勢壘層厚度小于4 nm時(shí),跨導(dǎo)減小,如圖4所示。勢壘層厚度過小導(dǎo)致2DEG密度急劇下降,勢壘層厚度為2.5 nm時(shí),器件的跨導(dǎo)減小,原因是2DEG密度減小導(dǎo)致的有源區(qū)電阻增大,從而抑制非本征跨導(dǎo)的提升,如式(2)所列。

圖4 不同勢壘厚度的AlN HEMT載流子分布圖以及能帶圖

(1)

(2)

從輸出特性曲線中可以看到,Vgs=2 V時(shí)器件的最大飽和電流隨勢壘層厚度的增大而增大,這也與圖4中載流子面密度隨勢壘層厚度的變化趨勢相吻合。勢壘層厚度為2.5 nm時(shí),器件的飽和電流遠(yuǎn)小于其他3個(gè)厚度的器件。

最后對4種不同勢壘厚度的器件進(jìn)行小信號特性的仿真,如圖5所示,勢壘層厚度為4 nm時(shí)的fT和fmax最大,隨勢壘層厚度的增加,截止頻率減小。由式(3)所列,截止頻率和跨導(dǎo)正相關(guān),因此截止頻率隨勢壘層厚度的變化趨勢與跨導(dǎo)隨勢壘層厚度的變化趨勢一致。如表1所列是對不同勢壘厚度的AIN HEMT的各項(xiàng)參數(shù)的對比,基于本文仿真目的,為確定適合高頻應(yīng)用的器件結(jié)構(gòu),最終確定勢壘層厚度為4 nm。

表1 不同勢壘層厚度的AlN HEMT的各項(xiàng)參數(shù)對比

圖5 不同勢壘厚度的AlN HEMT小信號特性曲線

(3)

2.2 柵長優(yōu)化

基于上述分析,固定勢壘層厚度為4 nm的具有不同柵長的AlN/GaN HEMT器件的轉(zhuǎn)移和輸出特性曲線如圖6和圖7所示。對轉(zhuǎn)移特性和輸出特性的仿真偏置與上一小節(jié)一致。

圖7 不同柵長的AlN HEMT輸出特性曲線

從轉(zhuǎn)移特性曲線中可以看到,閾值電壓隨柵長的減小而負(fù)漂,主要原因在于短溝道效應(yīng),柵長越小,縱橫比越小,短溝道效應(yīng)越嚴(yán)重,需要更負(fù)的柵壓才能夾斷導(dǎo)電溝道?？鐚?dǎo)隨柵長的減小先增加后減小,這也是由于柵長的過度減小,使得短溝道效應(yīng)變嚴(yán)重。

從輸出特性曲線中可以看到,隨著柵長的減小,器件飽和輸出電流增大,這是因?yàn)樵谠绰╅g距固定的情況下,柵長減小會(huì)使得溝道電阻減小,因此飽和輸出電流增加。

如圖8所示,柵長分別為100 nm和50 nm時(shí),器件在關(guān)斷狀態(tài)下(Vgs=-6 V)漏壓為0 V和6 V的柵下載流子分布。從圖8(b)與圖8(d)的對比可以明顯看出,柵長為100 nm時(shí),器件在漏壓6 V的情況下還能很好地關(guān)斷,但柵長減小至50 nm后,柵下載流子分布明顯增加。背景載流子濃度的增大會(huì)在漏壓較大時(shí)造成源漏穿通現(xiàn)象,使得亞閾值電流增大,甚至造成器件難以關(guān)斷的情況。

圖8 柵長分別為100 nm和50 nm時(shí)不同漏壓下的載流子分布

如圖9所示,為了解釋短溝道效應(yīng)對器件特性退化的影響,又進(jìn)一步對比了關(guān)斷狀態(tài)下(Vgs=-6 V)不同柵長器件在不同漏極電壓下異質(zhì)結(jié)處的導(dǎo)帶圖,x軸坐標(biāo)值為相對于源極的距離。勢壘高度隨柵長的減小而減小,主要原因在于柵長越長,耗盡作用越強(qiáng);與此同時(shí),當(dāng)漏極電壓為30 V時(shí)的勢壘高度相對于0 V時(shí)的均有下降,其中柵長為200 nm時(shí)的降幅為4.9%,150 nm時(shí)為6.3%,100 nm時(shí)為8.4%,50 nm時(shí)為14.8%,可見隨著柵長的縮短,DIBL現(xiàn)象越來越嚴(yán)重。這是因?yàn)殡S著柵長的縮短,勢壘降低越來越嚴(yán)重且勢壘的寬度越窄,勢壘高度降低和勢壘寬度變窄使載流子更容易越過勢壘,從而亞閾值電流增大。

圖9 不同柵長器件在不同漏壓下異質(zhì)結(jié)處的導(dǎo)帶圖

如圖10和圖11所示,對不同柵長的器件進(jìn)行了小信號仿真,器件截止頻率隨柵長的減小而增大,與器件最大跨導(dǎo)變化趨勢不一致,這是因?yàn)槠骷纳娮鐲gs和Cgd隨著柵長的減小均減小。結(jié)合式(3)可知,在柵長大于50 nm的范圍內(nèi),寄生電容對器件截止頻率的影響比跨導(dǎo)大,但基于上述分析可知,柵長減小至50 nm時(shí)短溝道效應(yīng)嚴(yán)重,因此折中取柵長為100 nm。

圖10 不同柵長的AlN HEMT小信號曲線

圖11 不同柵長的AlN HEMT的截止頻率變化

3 結(jié)論

本文通過對不同勢壘層結(jié)構(gòu)以及不同柵長的器件進(jìn)行直流特性和小信號特性的仿真,分析了縱橫比與短溝道效應(yīng)的關(guān)系,以及短溝道效應(yīng)引起器件特性退化的原因。對比確定出AlN/GaN HEMT的勢壘層厚度為4 nm,柵長為100 nm時(shí)截止頻率較高,且不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的短溝道效應(yīng)。