具有部分本征GaN帽層新型A lGaN/GaN高電子遷移率晶體管特性分析?

郭海君 段寶興 袁嵩 謝慎隆 楊銀堂

(西安電子科技大學微電子學院,寬禁帶半導體材料與器件教育部重點實驗室,西安 710071)

具有部分本征GaN帽層新型A lGaN/GaN高電子遷移率晶體管特性分析?

郭海君 段寶興?袁嵩 謝慎隆 楊銀堂

(西安電子科技大學微電子學院,寬禁帶半導體材料與器件教育部重點實驗室,西安 710071)

(2017年4月11日收到;2017年6月5日收到修改稿)

為了優化傳統A lGaN/GaN高電子遷移率晶體管(high electron mobility transistors,HEMTs)器件的表面電場,提高擊穿電壓,本文提出了一種具有部分本征GaN帽層的新型A lGaN/GaN HEMTs器件結構.新型結構通過在A lGaN勢壘層頂部、柵電極到漏電極的漂移區之間引入部分本征GaN帽層,由于本征GaN帽層和A lGaN勢壘層界面處的極化效應,降低了溝道二維電子氣(two dimensional electron gas,2DEG)的濃度,形成了柵邊緣低濃度2DEG區域,使得溝道2DEG濃度分區,由均勻分布變為階梯分布.通過調制溝道2DEG的濃度分布,從而調制了A lGaN/GaN HEMTs器件的表面電場.利用電場調制效應,產生了新的電場峰,且有效降低了柵邊緣的高峰電場,A lGaN/GaN HEMTs器件的表面電場分布更加均勻.利用ISE-TCAD軟件仿真分析得出:通過設計一定厚度和長度的本征GaN帽層,A lGaN/GaN HEMTs器件的擊穿電壓從傳統結構的427 V提高到新型結構的960 V.由于溝道2DEG濃度減小,溝道電阻增加,使得新型A lGaN/GaN HEMTs器件的最大輸出電流減小了9.2%,截止頻率幾乎保持不變,而最大振蕩頻率提高了12%.

高電子遷移率晶體管,電場調制,二維電子氣,擊穿電壓

1 引 言

以氮化鎵(GaN)為代表的寬禁帶半導體材料是繼以硅(Si)為代表的第一代元素半導體材料和以砷化鎵(GaAs)為代表的第二代化合物半導體材料之后,在近年來迅速發展起來的第三代半導體材料,具有寬禁帶、高擊穿場強、高飽和電子速度、高熱導率、良好的化學穩定性、強抗輻照能力等優越的特性,在高功率、高頻、高溫、抗輻照的電子器件中有著廣泛的應用[1].由于強烈的自發極化和壓電極化效應[2,3],在A lGaN/GaN異質結的界面處產生高濃度(＞1×1013cm?2)和高遷移率(1000—2000 cm2/V.s)的二維電子氣(two diMensional electron gas,2DEG),非常適用于微波高功率應用.目前,隨著材料質量、外延層設計和制造工藝技術的提高,A lGaN/GaN高電子遷移率晶體管(high electron mobility transistors,HEMTs)器件的功率性能在不斷改善[4].為了實現高功率應用,擊穿電壓的提高是一種直接的手段.研究者提出了許多措施來增加擊穿電壓,如場板技術[5?8]、降低表面電場(RESURF)技術[9]、具有A lGaN溝道的HEMTs新結構[10]、輕摻雜漏HEMTs新結構[11]、GaN緩沖層摻雜[12?14]、A lGaN/GaN/A lGaN雙異質結HEMTs等[15].

通常而言,A lGaN/GaN HEMTs器件在反向工作時,在柵電極靠近漏電極邊緣處存在高峰電場.降低柵邊緣的高峰電場,從而優化表面電場是提高A lGaN/GaN HEMTs器件擊穿電壓的一種重要技術.為了降低柵邊緣的高峰電場,Si基功率器件利用了RESURF技術[16],為了進一步降低體內的高電場,研究者提出了體電場降低技術[17].但是,A lGaN/GaN HEMTs器件不同于傳統Si基功率器件的特殊耐壓機理,使得設計優化高擊穿電壓的Si技術不能直接移植[18?21].

文獻[22]報道了在A lGaN勢壘層頂部生長一層本征GaN帽層時,由于GaN帽層和A lGaN勢壘層界面處的極化效應,感應出負極化電荷,使得溝道2DEG的濃度降低.并且隨著本征GaN帽層厚度的增加,溝道2DEG的濃度減小并趨于飽和.基于此,本文提出了一種具有部分本征GaN帽層新型A lGaN/GaN HEMTs器件結構.溝道2DEG的濃度分布出現分區,利用電場調制效應,通過調制溝道2DEG的濃度分布,從而調制了A lGaN/GaN HEMTs器件的表面電場分布.這種效應與CMOS技術中通過低摻雜漏極形成耗盡區擴展降低高電場的作用相當.利用ISE-TCAD軟件仿真分析表明,通過設計一定厚度和長度的本征GaN帽層,可以使A lGaN/GaN HEMTs器件溝道2DEG耗盡區擴展直至完全耗盡,并且產生了新的電場峰,有效降低了柵邊緣的高峰電場,將A lGaN/GaN HEMTs器件的擊穿電壓從傳統結構的427 V提高到新型結構的960 V.

2 器件結構

A lGaN/GaN HEMTs器件的耐壓機理與傳統Si基PN結或金屬氧化物半導體(MOS)結構不同.傳統Si基功率器件通過PN結反向耗盡區擴展承擔外加電壓,擴展的耗盡區由起始的中性P區與N區形成負電荷區(P區)和正電荷區(N區).而A l-GaN/GaN HEMTs器件由于強烈的極化效應,已經形成了高極化電場和高密度電荷(A lGaN表面正電荷和A lGaN/GaN界面的2DEG負電荷).器件的耗盡過程首先是從GaN材料的帶電狀態調整為中性態(2DEG被耗盡后),這與傳統Si基PN結或MOS結構不同,它們開始本身就為中性態;同時N型GaN緩沖層也被耗盡[18?21].

圖1所示為本文提出的具有部分本征GaN帽層新型A lGaN/GaN HEMTs器件結構示意圖.與傳統器件結構不同的是,在A lGaN勢壘層頂部,柵電極到漏電極的漂移區之間引入了部分本征GaN帽層.部分本征GaN帽層的存在,在本征GaN帽層和A lGaN勢壘層界面處感應出了負極化電荷,降低了溝道2DEG的濃度,形成了柵邊緣低濃度2DEG區域,低濃度的2DEG有利于耗盡區擴展直至完全耗盡.由于溝道2DEG的濃度分布由均勻分布變為從柵電極邊緣到漏電極漂移區的階梯分布,利用電場調制效應,產生了新的電場峰,降低了柵邊緣的高電場峰,A lGaN/GaN HEMTs器件的表面電場分布更加均勻,擊穿電壓大大提高.新型A lGaN/GaN HEMTs器件的制備過程與傳統器件類似,只是需要在臺面隔離之后,增加一步利用感應耦合等離子體刻蝕技術選擇性刻蝕頂部本征GaN帽層,之后熱退火修復刻蝕損傷的工藝步驟,再進行后續的源漏歐姆接觸和柵肖特基接觸的工藝步驟.

本文分析的A lGaN/GaN異質結結構為襯底,40 nm厚的A lN成核層,3μm厚非故意摻雜的GaN緩沖層,厚度為20 nm,A l組分為32%的A lGaN勢壘層.引入部分本征GaN帽層的厚度為T,長度為L.柵源間距、柵長和柵漏距離分別為1,1,和6μm.

圖1 具有部分本征GaN帽層新型A lGaN/GaN HEMTs器件結構示意圖Fig.1. Cross-sectional diagraMof the novel A l-GaN/GaN HEMTs With a partial GaN cap layer.

3 仿真結果與分析

本文的仿真結果是利用ISE-TCAD軟件獲得的.外延在藍寶石或碳化硅襯底上的GaN緩沖層,在金屬有機物化學氣相淀積生長過程中,即使未人為摻雜,由于不可避免地引入Si,O雜質或N空位,起淺施主的作用,GaN緩沖層中背景載流子濃度比較高,表現為N型摻雜.因此在仿真中設置了N型摻雜濃度為2.0×1015cm?3.為了減小GaN緩沖層的泄漏電流,獲得與實際測試結果相一致的擊穿曲線,利用ISE仿真軟件,在GaN緩沖層中引入了受主型陷阱[18?21].受主型陷阱的濃度為2×1016cm?3,位于導帶下方0.6 eV處[13,14],載流子俘獲截面面積為1×10?15cm2.

圖2為擊穿條件下A lGaN/GaN HEMTs器件傳統結構與具有部分本征GaN帽層新型結構等勢線分布,從左至右依次為源電極、柵電極和漏電極.由于A lGaN勢壘層的厚度只有20 nm,圖2中沒有明顯表示出A lGaN勢壘層.對于傳統結構,高濃度的溝道2DEG均勻分布.當器件反向工作時,溝道2DEG從柵邊緣到漏電極的漂移區沒有完全耗盡,為部分耗盡,如圖2(a)所示.對于新型結構,部分本征GaN帽層降低了靠近柵邊緣的溝道2DEG濃度,形成了低濃度2DEG區域,溝道2DEG耗盡區擴展比傳統結構容易,從柵邊緣到漏電極的漂移區已經完全耗盡,如圖2(b)所示.

圖2 擊穿條件下的A lGaN/GaN HEMTs器件等勢線分布 (a)傳統結構;(b)新型結構:T=228 nm,L=3μmFig.2. Equipotential distribution of A lGaN/GaN HEMTs under b reakdown cond itions:(a)Conventional structu re;(b)novel structu re:T=228 nm,L=3μm.

圖3為擊穿條件下A lGaN/GaN HEMTs器件的表面電場分布,此處的表面電場位于A lGaN勢壘層與GaN緩沖層的界面.從圖3(a)可以看出,傳統結構的電場分布為典型的三角形形狀,在柵電極靠近漏電極邊緣處存在一個高峰電場,沿著漂移區的方向電場逐漸降低.由于溝道高濃度2DEG均勻分布,從柵電極邊緣到漏電極的漂移區沒有完全耗盡.在截止態時,柵肖特基結反偏,隨著漏端正偏壓的增大,耗盡區的電場強度隨之增大,高電場峰的存在產生了大量的電子空穴對,稱為碰撞電離.碰撞電離是一個倍增現象,當碰撞電離率達到無窮大時,發生雪崩擊穿[23].A lGaN/GaN HEMTs器件發生擊穿的位置一般位于柵邊緣.降低柵邊緣處的高峰電場成為提高擊穿電壓的一種重要技術.而對于本文提出的新型結構,其電場分布與傳統結構的明顯不同之處在于新的電場峰的產生.這是由于部分本征GaN帽層降低了溝道2DEG濃度,形成了柵邊緣低濃度2DEG區域,使溝道2DEG濃度由均勻分布變為柵電極邊緣到漏電極漂移區的階梯分布,低濃度的2DEG使溝道耗盡區擴展并完全耗盡.新電場峰的出現,有效降低了柵邊緣的高峰電場,A lGaN/GaN HEMTs器件的表面電場分布更加均勻,擊穿電壓從傳統結構的427 V提高到新型結構的960 V.并且由于溝道2DEG的完全耗盡,在器件漏電極邊緣出現了新的電場峰.

圖3 擊穿條件下的A lGaN/GaN HEMTs器件表面電場分布 (a)傳統結構與新型結構的比較;(b)新型結構隨L參數的變化:T=228 nmFig.3. Su rface electric field d istribu tions of A lGaN/GaN HEMTs under b reakdown cond itions:(a)CoMparison of the conventional and novel structure;(b)variation of surface electric field d istributions With L of the novel structure:T=228 nm.

圖3(b)為具有部分本征GaN帽層新型A l-GaN/GaN HEMTs器件表面電場分布隨部分本征GaN帽層長度的變化.可以看出,隨著部分本征GaN帽層長度的增加,新電場峰值逐漸提高,位置逐漸向漏電極處移動,并且柵邊緣的高峰電場逐漸降低.這是由于隨著部分本征GaN帽層長度的增加,電場調制效應增強,溝道低濃度2DEG區域延長,2DEG耗盡區擴展并達到了完全耗盡.當部分本征GaN帽層的長度為1μm時,與傳統結構相比,漂移區的溝道2DEG耗盡區有所擴展,A l-GaN/GaN HEMTs器件的擊穿電壓為661 V;當部分本征GaN帽層的長度為2μm時,漂移區的溝道2DEG達到了完全耗盡,器件的擊穿電壓為880 V;當部分本征GaN帽層的長度為3μm時,完全耗盡后的溝道2DEG使漏電極邊緣出現電場峰,此時由于柵邊緣高電場峰進一步降低,器件的擊穿電壓進一步提高到960 V.

對于具有部分本征GaN帽層的新型A l-GaN/GaN HEMTs器件,影響擊穿電壓的主要參數為部分本征GaN帽層的的長度和厚度,這與功率器件傳統終端技術中的場板規律類似[5].不同的部分本征GaN帽層的長度和厚度,導致產生的新電場峰的值和位置不同,進而對柵邊緣高峰電場降低程度的影響不同.如圖4(a)所示,當部分本征GaN帽層的厚度固定時,隨著其長度的增加,靠近柵邊緣的溝道中低濃度2DEG區域延長,形成的新電場峰使柵邊緣高電場峰的降低程度增加,A l-GaN/GaN HEMTs器件的擊穿電壓增大.當部分本征GaN帽層厚度固定為228 nm、部分本征GaN帽層的長度為柵漏間距的一半時,A lGaN/GaN HEMTs器件的擊穿電壓從傳統結構的427 V提高到960 V,增量為125%;當部分本征GaN帽層的長度大于柵漏間距的一半,漏電極邊緣出現新的電場峰,擊穿電壓增加速度減慢,趨于飽和.同樣地,當部分本征GaN帽層的厚度為30,10 nm時,如圖4(a)所示,A lGaN/GaN HEMTs器件擊穿電壓的變化表現出相似的規律.

如圖4(b)所示,當部分本征GaN帽層的長度固定為3μm時,隨著部分本征GaN帽層厚度的增加,溝道2DEG濃度降低并逐漸飽和,因此A l-GaN/GaN HEMTs器件的擊穿電壓逐漸增加并保持不變.這是由于在器件反向工作時,在較低漏壓下就可以很容易地將溝道低濃度的2DEG完全耗盡,使器件可以在更高反向電壓下擴展耗盡溝道2DEG而提高擊穿電壓.

圖4 新型結構擊穿電壓與部分本征GaN帽層參數的關系 (a)擊穿電壓隨L參數的變化:T=228,30,10 nm;(b)擊穿電壓隨T參數的變化:L=3μmFig.4.Relationship of breakdown voltage With paraMeters of the partial GaN cap layer:(a)B reakdown voltage dependence on L:T=228,30,and 10 nm;(b)breakdoWn voltage dependence on T:L=3μm.

圖5(a)所示為傳統結構與具有部分本征GaN帽層新型結構的轉移特性曲線的比較.由于在柵邊緣到漏電極的漂移區之間引入了部分本征帽層,降低了柵邊緣到漏電極之間溝道2DEG的濃度,而A lGaN/GaN HEMTs器件的閾值電壓僅僅與柵下電極覆蓋區域有關,因此新型結構的閾值電壓與傳統結構相比并沒有明顯差異.在最優參數條件下(T=228 nm,L=3μm),傳統器件的閾值電壓為?2.6 V,新型器件的閾值電壓為?2.4 V.

圖5(b)所示為傳統結構與具有部分本征GaN帽層新型結構的輸出特性曲線的比較.A l-GaN/GaN HEMTs器件的最大輸出電流與溝道2DEG的濃度和遷移率成正比.部分本征GaN帽層的存在,在降低溝道2DEG濃度的同時,提高了2DEG的遷移率[22].在最優參數條件下(T=228 nm,L=3μm),A lGaN/GaN HEMTs器件的最大輸出電流從傳統結構的870 MA/mm降低到新型結構的790 MA/mm,減小了9.2%.通過圖5(b)可以計算獲得A lGaN/GaN HEMTs新型結構的比導通電阻為0.65 m?.cm2,傳統結構的比導通電阻為0.58 m?.cm2,增大了11%左右,相比擊穿電壓提高了125%,比導通電阻的增大幅度是可以接受的.這是提高A lGaN/GaN HEMTs器件擊穿電壓的折中結果.

圖5 傳統結構與新型結構的正向特性曲線的比較 (a)轉移特性;(b)輸出特性Fig.5. CoMparison of forward characteristic curves between the conventional and novel structu re:(a)Transfer characteristic;(b)output characteristic.

圖6為傳統結構與具有部分本征GaN帽層新型結構的柵源電容CGS隨頻率的變化關系.可以看出,在低頻段時,新型結構的柵源電容值比傳統結構有所減小.新型結構的柵源電容為3.32 pF/mm,相比傳統結構的3.69 pF/mm,減小了10%.由于引入了部分本征GaN帽層,降低了溝道2DEG的濃度,相應地降低了空間電荷區的電荷密度,因此新型結構在低頻段時擁有比傳統結構更小的柵源電容.在頻率達到一定程度后,器件的柵源電容開始急劇下降至最低值附近,從圖6可以獲得,當工作頻率增大到1 THz時,新型結構和傳統結構的柵源電容分別減小至77.5和82.3 fF/mm.

為了得到A lGaN/GaN HEMTs器件的截止頻率和最大振蕩頻率,采用二端口網絡進行小信號S參數仿真,圖7所示為傳統結構與具有部分本征GaN帽層新型結構的小信號高頻特性的比較結果.H21為小信號電流增益,UPG為單向功率增益,A lGaN/GaN HEMTs器件的直流偏置條件為VGS=0 V,VDS=20 V.從圖7中可以看出,當H21下降到0 dB時,新型結構擁有與傳統結構幾乎一樣的截止頻率,分別為15和12 GHz.這是因為截止頻率與柵源電容成反比,與跨導成正比.由于部分本征帽層帶來的影響,使得器件跨導的下降程度與柵源電容的減小程度相抵消,所以新型結構的截止頻率基本未發生改變.而當UPG下降到0 dB時,新型結構和傳統結構的最大振蕩頻率分別為65和58 GHz,增加了約12%.在截止頻率未改變的情況下,由于部分本征GaN帽層的存在,降低了溝道2DEG濃度,增加了溝道電阻,因此最大振蕩頻率有所提高.

圖6 傳統結構與新型結構的柵源電容隨頻率的變化Fig.6.Variation of CGSWith frequencies of the conventional and novel A lGaN/GaN HEMTs.

圖7 傳統結構與新型結構的小信號高頻特性曲線Fig.7. SMall signal high-frequency characteristic curves of the conventional and novel A lGaN/GaN HEMTs.

4 結 論

本文提出了一種具有部分本征GaN帽層新型A lGaN/GaN HEMTs器件結構.在A lGaN勢壘層頂部,柵漏漂移區之間引入部分本征GaN帽層,降低了溝道2DEG的濃度,形成了低濃度2DEG區域,低濃度的2DEG使溝道耗盡區擴展直至完全耗盡.利用電場調制效應,產生了新的電場峰,有效降低了柵邊緣的高峰電場,A lGaN/GaN HEMTs器件的表面電場分布更加均勻,擊穿電壓從傳統結構的427 V提高到了新型結構的960 V.由于溝道2DEG濃度減小,溝道電阻增加,新型A lGaN/GaN HEMTs器件的輸出電流略有減小,截止頻率幾乎保持不變,而最大振蕩頻率有所提高.

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*Project supported by the National Basic Research PrograMof China(G rant Nos.2014CB339900,2015CB351900)and the Key PrograMof the National Natu ral Science Foundation of China(G rant Nos.61234006,61334002).

?Corresponding author.E-Mail:bxduan@163.com

Characteristic analysis of neWA lG aN/G aN h igh electron Mob ility transistor With a partial GaN cap layer?

Guo Hai-Jun Duan Bao-Xing?Yuan Song Xie Shen-Long Yang Yin-Tang

(Key Laboratory of the Ministry of Education forWide Band-Gap SeMiconductor Materials and Devices,School of Microelectronics,Xidian University,Xi’an 710071,China)

11 Ap ril 2017;revised Manuscrip t

5 June 2017)

In order to reduce the high electric field peak near the gate edge and op tiMize the non-uniforMsurface electric field distribution of conventional A lGaN/GaN high electron Mobility transistor(HEMT),a novel A lGaN/GaN HEMT With a partial GaN cap layer is proposed in this paper.The partial GaN cap layer is introduced at the top of the A lGaN barrier layer and is located froMthe gate to the drain d rift region.A negative polarization charge at the upper hetero-junction interface is induced,oWing to the polarization eff ect at the GaN cap layer and A lGaN barrier layer interface.Hence,the two diMensional electron gas(2DEG)density is reduced.The low-density 2DEG region near the gate edge is forMed,which turns the uniforMdistribution into a gradient distribution.The concentration distribution of 2DEG ismodified.Therefore,the surface electric field distribution of A lGaN/GaN HEMT ismodu lated.By the electric field Modu lation eff ect,a neWelectric field peak is produced and the high electric field peak near the gate edge of the drain side is eff ectively reduced.The surface electric field of A lGaN/GaN HEMT isMore uniforMly redistributed in the drift region.In virtue of ISE-TCAD simu lation software,the equipotential and the surface electric field distribution of A lGaN/GaN HEMT are obtained.For the novel A lGaN/GaN HEMT eMp loying a partial GaN cap layer,the 2DEG is coMp letely dep leted froMthe gate to the drain electrodes,arising froMthe low-density 2DEG near the gate edge,while the 2DEG is partly dep leted for the conventional A lGaN/GaN HEMT.The surface electric field distribution of the conventional structure is coMpared With the one of the novel structuresWith partial GaN cap layers of diff erent lengths at a fixed thickness of 228 nm.With increasing length,the neWelectric field peak increases and shifts toward the d rain electrode,and the high electric field peak on the drain side of the gate edge is reduced.Moreover,the breakdown voltage dependence on the length and thickness of the partial GaN cap layer is achieved.The simulation results exhibit that the breakdown voltage can be iMproved to 960 V coMpared With 427 V of the conventional A lGaN/GaN HEMT under the op timuMconditions.The threshold voltage of A lGaN/GaN HEMT reMains unchanged.TheMaximuMoutput current of A lGaN/GaN HEMT is reduced by 9.2%and the specific on-resistance is increased by 11%due to a 2DEG density reduction.The cut-off frequency keeps constant and themaximuMoscillation frequency shows an iMprovement of 12%resu lting froMthe increased output resistance.The resu lts deMonstrate that the proposed A lGaN/GaN HEMT is an attractive candidate in realizing the high-voltage operation of GaN-based power device.

high electron Mobility transistors,electric field modu lation,two dimensional electron gas,breakdown voltage

10.7498/aps.66.167301

?國家重點基礎研究發展計劃(批準號:2014CB 339900,2015CB 351900)和國家自然科學基金重點項目(批準號:61234006,61334002)資助的課題.

?通信作者.E-Mail:bxduan@163.com

?2017中國物理學會C h inese P hysica l Society

http://Wu lixb.iphy.ac.cn