GaN_Si npn HBT 特性研究

董果香，李建清

(電子科技大學物理電子學院，成都610054)

GaN 半導體材料作為新型寬禁帶材料，在光電領域和高功率高頻電子器件方面有很大的應用［1］。在現有的工藝條件下，GaN 單晶尺寸很難生長較大，GaN 器件多以藍寶石或SiC 為襯底［2］。GaN 與藍寶石之間晶格失配達到15%，并且藍寶石是絕緣材料，本身不導電，導熱性差且與GaN 熱膨脹系數差異較大。雖然SiC 襯底與GaN 之間晶格失配為3.5%，但SiC 材料加工困難且價格較為昂貴，這些原因限制了SiC 襯底的應用開發。Si 襯底和上面兩種襯底相比，除了晶格失配和熱失配較大外，具有質量高、尺寸大、成本低、導電性好等優點，并且Si 具有成熟的工藝，采用Si 作為GaN 基器件的襯底，可以將GaN 基器件集成到傳統Si 基器件工藝中，因此Si 被認為是較為理想的GaN 襯底材料。隨著在Si襯底生長GaN 單晶薄膜，GaN 基材料與器件有了較大發展［3－4］，Si 襯底GaN 基光電器件研制引人注目。

GaN/Si/Si 雙極晶體管的發射結為異質結，比同質結具有更高的注入效率，產生了許多優良的性能，例如具有更高的載流子調制能力和更低的導通電阻。在HBT 摻雜分布中，基區摻雜大于發射區摻雜。高的基區摻雜帶來了許多優點［5－6］。首先，低的基區電阻提高了截至頻率，改善了電流集中。更高的基區摻雜也提高了Early(人名)電壓，減小了大電流效應。低的發射區摻雜也帶來了諸如禁帶變窄的減小以及Cbe 降低等好處。本文利用Silvaco 軟件對平面GaN/Si/Si－HBT 特性進行了仿真。

1 器件結構及物理模型

器件模擬以器件物理工作機理和合理高效準確的數值算法為基礎，它是研究和預測器件性能的重要工具。本文采用Silvaco 軟件，它能夠仿真特定結構和偏壓下半導體器件的物理性能，使用戶更好的理解器件內部工作機理［7］。

本文所研究的GaN/Si/Si－HBT 結構如圖1 所示，由于GaN 的禁帶寬度比Si 的禁帶寬度大得多，所以可使發射區摻雜濃度低于基區摻雜濃度。發射區和基區都是采用均勻摻雜，發射區摻雜為5×1018cm－3，寬度為0.15 μm，基區摻雜為2×1019cm－3，寬度為0.1 μm，結深為0.01 μm。集電區為帶N－外延層的N+襯底，外延層厚度為0.5 μm，摻雜濃度為5×1016cm－3，襯底厚度為0.15 μm，摻雜濃度為2×1019cm－3。此結構是按照Si 襯底GaN 基材料垂直工藝水平所設計，使器件的各項性能達到最佳。

圖1 HBT 器件結構

在模擬之前應對材料進行合理的建模，正確的模型是模擬的基礎，包括能帶模型，遷移模型，復合模型等，其中對GaN 和Si 的物理模型參數均來自最新的文獻和試驗結果。

在Silvaco 軟件中BLAZE［8］模擬器可對各種特殊器件和材料進行模擬，包括HBT，HEMT，LED。對HBT 模擬時，必須明確兩種材料導帶和價帶差異，即ΔEC和ΔEV。如果用戶不指明，則軟件默認為ΔEC=X1－X2和ΔEV=ΔEg－ΔEC。本文模擬選用默認值，其中X1是窄禁帶材料電子親和能，X2是寬禁帶材料電子親和能，ΔEg是兩種材料能帶差。

首先考慮不完全電離:

對于Si 和GaN 材料區域以上公式中各參數相同，參數值如下:GCB= 2，GVB= 4，EDB= 0. 044 eV，EVB=0.045 eV。

GaN 的能帶模型為:

其中，T 是溫度，單位為K，

Si 的能帶模型為:

其中，T 是溫度，單位為K，

GaN 的價帶和導帶有效狀態密度NV和NC分別為2.51e19 cm－3和2.24e18 cm－3。Si 價帶和導帶有效狀態密度NV和NC分別為1.04e19 cm－3和2.8e19 cm－3。

遷移率模型［9］對器件的研究十分重要，本文中遷移率模型為Silvaco 中的低電場遷移率模型中的恒遷移率模型和反型層遷移率模型FLDmob 的組合使用。

低電場恒遷移率模型為:

在Si 材料區中:在室溫下，對于電子mμn=1 000，tμn=1.5;對于空穴:mμp=500，tμp=1.5。

在GaN 材料區中:在室溫下，對于電子mμn=400，tμn=1.5;對于空穴:mμp=8，tμp=1.5。

而FLDmob 遷移率模型為:

在Si 材料區中對飽和速度VSn和VSp作如下修正，其中飽和速度如下［10］:

其中TNOMN·FLD=TNOMP·FLD=600 K。

以上各參數都有確定的值，其值請參考Silvaco用戶手冊chapter 3 Physics P115。

在GaN 材料區中直接給出飽和速度vSN=1.91×107cm/s，vSP=1×106cm/s

復合模型［11］為SRH 模型:

其中Si 的少數載流子壽命τp0=τn0=1×10－7s 由于GaN 少數載流子壽命相關材料未有精確值，所以全部設為與Si 的少數載流子壽命相同。其中ETRAP=0 eV。

2 結果及分析

如圖2 所示，發射區是寬禁帶，基區和集電區為窄禁帶。發射結為異質結，由于價帶的不連續性大于導帶的不連續性，所以基區空穴注入效率小于發射區電子注入效率，HBT 電子注入效率和電流增益大幅提高。其中ΔEC=1.65 eV，ΔEV=1.70 eV。

圖2 HBT 能帶結構圖

圖3 是器件在Vce=3.6 V 時，器件的Gummel曲線，因為采用了GaN/Si 異質結，GaN 的禁帶寬度較大，所以器件導通壓降大約為2.5 V，大于采用Si的同質結的0.7 V。當Vbe＞2 V 時，發射結趨于導通，HBT 趨于放大狀態，Vbe繼續增大，發射結導通，HBT 處于放大狀態。從圖中還可看出，在Vbe較大變化范圍，電流增益幾乎是一個常數。當Vbe＞3 V時，由于大注入造成的基區變寬和電流集邊，使Ib和Ic趨于飽和。

圖3 當Vce=3.6 V 時HBT 的Gummel 曲線

在仿真輸出特性曲線時，對基極采用電流控制，基極電壓大約在1.2 V。當集電極電壓從0 V 開始增大，由于Vb=1.2 V，所以集電結導通，發射結關斷，所以集電極上增加的電壓大部分落在在發射結上，使發射結上電壓上升。當Vce=1.8 V 左右，落在發射結上的電壓大于發射結開啟電壓，發射結導通。集電極電壓繼續增大，HBT 先后進入飽和區和發大區。所以如圖4 所示觀察到Vce=1.8 V 時，集電極電流明顯上升，即輸出特性具有一定的開啟電壓，較大的開啟電壓，增大了器件的功耗，降低了HBT 輸出電壓擺幅。當Ib=2×10－4A 時，Ic大約是0.02 A，增益大約為100 倍。

圖4 共射極輸出特性曲線

從圖5 可以看出器件的擊穿電壓大約為900 V左右，遠大于Si 晶體管的擊穿電壓，這是由于采用異質結的緣故，可見寬禁帶發射區HBT 在功率器件方面用很大應用前景。如果采用雙異質結晶體管，即DHBT，在擊穿電壓方面有更進一步的提高，但是由于基區和集電區導帶不連續形成的勢壘，對基區電子到集電區漂移產生較大影響，這個問題需要考慮。

圖5 器件擊穿特性曲線

圖6 是Vce=3.8 V，Vb=3.0 V 下得到的，最大增益為39.3 dB，隨著頻率的上升，增益保持不變，當頻率為1 GHz 時，增益開始下降，當頻率為80 GHz 時，增益為0 dB。頻率從0 Hz 到1 GHz，增益一直保持39.3 dB，具有較寬的頻帶寬度。此器件可工作在射頻頻段。

圖6 電流增益隨頻率變化

圖7 表明了器件截止頻率隨工作電流的變化關系。在集電極電壓恒定時，ft 最開始隨電流Ic增加而上升，達到極大值后，再隨著Ic的增加而下降。開始隨著電流Ic增加ft 上升，這正好符合雙極晶體管截止頻率計算公式中延遲時間與電流關系。當電流進一步增大到超過某一臨界值后，大電流下的基區變寬效應使基區渡越時間增加，從而導致ft 減小。

圖7 HBT 的截止頻率隨頻率變化

3 結論

本文用器件模擬軟件Silvaco 模擬了GaN_Si HBT，詳細列舉了模擬所用的物理模型和參數，包括能帶模型，遷移率模型，復合模型等。得出了器件能帶結構，Gummel 曲線，輸出特性曲線，擊穿電壓和截止頻率并對對器件的物理機理作出了解釋和分析。由于目前還沒有GaN_Si HBT 研究報道，本文對其進一步理論研究和器件制造具有指導意義，而且對Si襯底GaN 基器件的發展具有較大指導意義。

［1］ 滕曉云.Si 襯底GaN 基材料及器件的研究［J］. 半導體技術，2006，31(2):98－107.

［2］ 陳鵬.Si 基GaN 外延生長［J］. 固體電子學研究與進展，1999，19(2):200－202.

［3］ 李煒.Si 表面吸附GaN 的第一性原理［J］.材料導報:研究篇，2009，23(8):71－77.

［4］ 顏懷躍. Si 襯底上GaN 厚膜生長及Cr 摻雜GaN 性質研究［D］.南京:南京大學物理學院，2011.

［5］ 施敏，伍國鈺.半導體器件物理［M］.西安:西安交通大學出版社，2010.

［6］ 高金明，李圭. 高頻異質結晶體管直流和交流模型及其驗證［J］.電子器件，2011，34(2):133－135.

［7］ 吉利久.計算微電子學［M］.北京:科學出版社，1996.

［8］ Apanovich Y.Numerical Simulation of Submicrometer Devices，Including Coupled Non－Local Transport and Non－Isothermal Effects［J］.IEEE Trans.Electron Devices，1995，42(5):890－898.

［9］ Klaassen D B M. A Unified Mobility Model for Device Simulation［J］.Solid－State Electronics，1992，35:953－959.

［10］ Canali C G，Magni R Minder，Ottaviani G.Electron and Hole Drift Velocity Measurements in Silicon and Their Empirical Relation to Electric Field and Tempratrue［J］. IEEE Trans. Electron Devices ED，1975，22:1045－1047.

［11］ Law M E.Self－Consistent Model of Minority－Carrier Lifetime，Diffusion Length，and Moblity［J］.IEEE Electron Device Letters，1991，12(8):256－261.