具有p-GaN島狀埋層耐壓結構的橫向AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管?

張力 林志宇 羅俊 王樹龍 張進成 郝躍戴揚 陳大正 郭立新

1)(西安電子科技大學微電子學院,寬禁帶半導體國家重點實驗室,西安 710000)2)(西安電子科技大學物理與光電工程學院,西安 710000)

(2017年6月1日收到;2017年8月16日收到修改稿)

1 引 言

近年來,AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管(HEMT)由于高二維電子氣(2DEG)濃度、高電子飽和速度及高擊穿電場等優越特性在學術界和工業界受到廣泛關注,被認為是電力電子領域的理想應用器件[1?8].有大量報道稱在提高Al-GaN/GaN HEMT擊穿電壓方面取得了優越的成果,Zhang等[9]報道了采用重疊柵結構,實現柵漏間距為13μm的AlGaN/GaN HEMT擊穿電壓為570 V;Kim等[10]報道了柵漏間距為10μm的常規結構AlGaN/GaNHEMT擊穿電壓為495 V,而采用氟等離子體處理之后實現擊穿電壓520 V;Deguchi等[11]報道了采用緩變柵場板結構,實現柵漏間距為10μm的AlGaN/GaN HEMT擊穿電壓為830 V.但上述器件能達到的最大柵漏間平均擊穿電場僅為0.83 MV/cm,始終與GaN材料的理論擊穿電場強度(3.3 MV/cm)相去甚遠[12?15].

本文基于橫向HEMT結構,提出了一種新型的工藝易實現的高擊穿電壓AlGaN/GaN HEMT.該器件采用島狀p-GaN掩埋緩沖層(PIBL),通過體電場調制效應使電場的分布更加均勻從而達到提高器件擊穿電壓的目的,其工作原理類似于硅功率器件中的減小體場效應[16,17].其中非故意摻雜n型GaN緩沖層與p-GaN島掩埋層形成的反向偏置p-GaN/n-GaN結對器件表面和體電場分布均勻性有明顯的優化,同時使器件的緩沖層泄漏電流得到抑制,實現了器件擊穿電壓超過1700 V.文中使用Sentaurus TCAD仿真軟件對PIBL AlGaN/GaN HEMT的關態I-V特性、電場分布等器件電學特性進行仿真并對器件參數進行優化設計.仿真結果表明,與常規的AlGaN/GaN HEMT器件相比,實驗設計的PIBL AlGaN/GaN HEMT在擊穿電壓等方面表現出明顯的優越性.

2 器件仿真

PIBL AlGaN/GaN HEMT結構的截面圖如圖1所示,與常規HEMT結構的不同點在于此結構在2DEG通道下方的GaN緩沖層中埋設了6個等間隔的p-GaN島.

圖2給出了PIBL HEMT器件結構提高擊穿電壓的工作原理.對于常規GaN基HEMT而言,因為在柵極邊緣處耗盡區邊界發生彎曲,曲率很大,使得電場線向柵極邊緣集中,因此在同樣的偏壓下,柵極邊緣耗盡區電場遠大于柵下方耗盡區電場[18,19].而對于PIBL HEMT結構,當截止狀態下向漏極施加較高的正向電壓(Vds)時,在p-GaN島靠近漏端的區域與緩沖層之間形成反偏的p-n結,進而形成空間電荷區.p-GaN邊緣產生負的空間電荷,而緩沖層產生正的空間電荷,正的空間電荷會吸引電場,在p-GaN島靠近漏端一側形成新的電場峰,這樣能夠使表面電場分布更加均勻,提高器件的耐壓.同時p-GaN埋層也能與緩沖層形成橫向p-n結,承擔一部分緩沖層耐壓,防止緩沖層橫向穿通.

本文仿真過程中所用到的器件相關參數如表1所列,為了突出PIBL結構的優越特性,本文對具有表1所示相同特性參數的常規AlGaN/GaN HEMT也進行了仿真.

圖2 (網刊彩色)(a)常規AlGaN/GaN HEMT和(b)PIBL AlGaN/GaN HEMT電力線分布Fig.2.(color online)Electric line distributions of the(a)AlGaN/GaN HEMT and(b)PIBL AlGaN/GaN HEMT.

表1 仿真中涉及的相關器件參數Table 1.Device parameters used in simulation.

除了表1中用到的器件仿真參數外,在模型參數中,設定p-GaN島狀埋層空穴遷移率為15 cm2/(V·s),2DEG遷移率為1500 cm2/(V·s),GaN親和勢為3.8,AlGaN親和勢為3.52.采用固定的正電荷來模擬異質結界面處的正極化電荷,面密度為1×1013cm?2,文中的仿真不考慮表面態和柵隧穿模型,器件擊穿是由碰撞電離引起的,碰撞電離率為α0exp(?Ec/E),其中α0為碰撞電離系數,設為2.9×108/cm;Ec為臨界擊穿電場強度,設為3.4×107V/cm[20].

3 結果與討論

PIBL AlGaN/GaN HEMT和常規AlGaN/GaN HEMT的關態I-V特性如圖3所示,其中PIBL HEMT的tp=0.2μm,t=0.2μm,NPI=1.34×1017cm?3,兩個器件的柵漏間距(Lgd)均為10μm,器件的擊穿電壓定義為柵壓(Vgs)為?6 V下當漏極電流達到1 mA/mm時的漏極電壓.由圖3可以明顯看出PIBL結構HEMT的擊穿電壓達到了1700 V,而常規結構HEMT的擊穿電壓僅有580 V.這表明本文提出的PIBL結構的平均擊穿電場高達1.7 MV/cm,而常規AlGaN/GaN HEMT的平均擊穿電場只有0.58 MV/cm,僅為PIBL結構的1/3.

圖4給出了PIBL AlGaN/GaN HEMT和常規AlGaN/GaN HEMT在擊穿點處的體等電位分布.可以看出,由于埋層p-GaN島的調制效應,PIBL結構的等電位輪廓分布比常規結構的等電位輪廓分布更加均勻,特別是在掩埋p型島的邊緣處電場的分布均勻性對比最為明顯.PIBL結構中六個等距離的p-GaN島掩埋緩沖層起著與場限制環或場板相似的作用[21],使器件的電壓分布在更大的范圍上,因此PIBL結構具有更高的擊穿電壓.

圖5顯示了PIBL AlGaN/GaN HEMT和常規AlGaN/GaN HEMT在擊穿電壓下的界面電場(y=0.229μm)和表面電場(y=0.001μm)分布.埋層p-GaN島引入的多個反向p-n結在界面位置處形成了新的電場峰,有效地調制了器件的體電場分布,同時PIBL結構的表面也產生了五個新的表面電場峰,這表明器件的橫向電場被有效優化,有助于獲得更高的擊穿電壓.

圖3 (網刊彩色)PIBL AlGaN/GaN HEMT和AlGaN/GaN HEMT的關態I-V特性Fig.3.(color online)Off-state I-V characteristics of the PIBL AlGaN/GaN HEMT and the AlGaN/GaN HEMT.

圖4 (網刊彩色)擊穿點處(a)PIBL AlGaN/GaN HEMT和(b)AlGaN/GaN HEMT的等電位分布Fig.4.(color online)Equipotential contour distributions at breakdown point for(a)the PIBL AlGaN/GaN HEMT and(b)AlGaN/GaN HEMT.

圖5 (網刊彩色)擊穿電壓下PIBL AlGaN/GaN HEMT和AlGaN/GaN HEMT 的(a)界面電場(y=0.229μm)和(b)表面電場(y=0.001μm)分布Fig.5.(color online)Distributions of(a)interface electric fi elds(y=0.229μm)and(b)surface electric fi elds(y=0.001μm)at breakdown point for PIBL and AlGaN/GaN HEMT.

由于緩沖層中存在的泄漏電流是引起HEMT擊穿的重要原因之一,圖6展示了Vgs=?6 V,Vds=400 V時兩種AlGaN/GaN HEMT結構的電子濃度分布.顯然,在相同電壓偏置下,PIBL HEMT緩沖層中的電子已經完全耗盡,緩沖層泄漏電流得到抑制,而常規HEMT緩沖層中仍然存在大量的電子.這是因為在PIBL結構中,p-GaN島通過與緩沖層形成p-n結把漏端的高電壓分散到緩沖層,使得源漏下方的體電場更高,等勢線分布更加密集(如圖4),更好地耗盡緩沖層電子.因此,與常規結構相比,PIBL結構通過減小緩沖層泄漏電流,降低了由泄漏電流引起的碰撞電離的概率,進而抑制了雪崩擊穿的發生[22,23].

對于GaN基電力電子器件而言,單獨提高器件的擊穿電壓是無意義的,通常要確保器件在獲得高擊穿電壓的同時具有較低的導通電阻.因此,本文還研究了PIBL HEMT和常規AlGaN/GaN HEMT的輸出特性和轉移特性,如圖7所示.輸出特性的仿真范圍為Vgs由?4 V變化至2 V,步長為2 V,轉移特性在Vds為15 V下進行仿真.從圖7可以觀察到PIBL HEMT與常規HEMT相比具有較小的輸出電流,表明PIBL HEMT的導通電阻略大于常規器件的導通電阻,這可能是因為引入的p-GaN埋層部分耗盡了2DEG溝道中的電子濃度導致的.但是從上述分析可以看出,PIBL HEMT的擊穿電壓顯著提高到1700 V,特征導通電阻(Ron,sp)僅為1.47 m?·cm2,品質因數(FOM=BV2/Ron,sp)達到1966 MW·cm?2.

圖6 (網刊彩色)(a)PIBL AlGaN/GaN HEMT和(b)AlGaN/GaN HEMT的關態電子濃度分布Fig.6.(color online)Off-state electron concentration distributions for(a)PIBL AlGaN/GaN HEMT and(b)Al-GaN/GaN HEMT.

圖7 (網刊彩色)PIBL AlGaN/GaN HEMT和AlGaN/GaN HEMT的(a)轉移特性和(b)輸出特性Fig.7.(color online)(a)output characteristics and(b)transfer characteristics of PIBL AlGaN/GaN HEMT and AlGaN/GaN HEMT.

為優化器件結構,圖8展示了不同器件參數對PIBL AlGaN/GaN HEMT擊穿特性的影響.圖8(a)顯示了t對擊穿電壓的影響,其中tp=0.2μm.由圖8(a)可以看出,t=0.15,0.2,0.25μm時,對應每條曲線都有一個最優化的NPI,并且最優化的NPI隨著t的增大而增加.這是因為t越大,p-GaN島距離AlGaN勢壘就越遠,這種情況下需要更大的最優化NPI才能使p-GaN島與緩沖層形成更大的摻雜濃度差,從而形成更大的空間電荷區,以便對器件表面的電場有更強的調制作用.當t=0.2μm,NPI=1.34×1017cm?3時,器件獲得最大擊穿電壓為1700 V.圖8(b)顯示了tp對擊穿電壓的影響,可以看出器件的擊穿電壓隨著tp的減少而增強.因為仿真模型中背景摻雜濃度是固定的,根據電荷平衡原理,當p-GaN埋層越薄時,其最優化摻雜濃度也越高,此時p-n結的p型區域和n型區域之間的摻雜濃度差越大(n型區域的空間電荷區更大),對電場的調制作用越強.當tp=0.1μm時,PIBL AlGaN/GaN HEMT的擊穿電壓可以達到1789 V.由此可以看出,較薄的埋層p-GaN島應該有助于實現更顯著的電場調制并使器件獲得更高的擊穿電壓.

圖8 (網刊彩色)不同器件參數(a)t和(b)tp對PIBL Al-GaN/GaN HEMT擊穿特性的影響Fig.8.(color online)In fl uences of device parameters on breakdown characteristics for PIBL AlGaN/GaN HEMT:(a)t on the BV(tp=0.2μm),and(b)tpon the BV.

4 結 論

提出了一種新型PIBL AlGaN/GaN HEMT耐壓結構,并使用Sentaurus TCAD仿真軟件,從關態I-V特性、電場分布和關態載流子分布等方面對器件特性進行了詳細的仿真分析,結果顯示引入的p-GaN埋層在較高漏極電壓下能形成反向偏置的p-GaN/n-GaN結,有效地調節器件的電場分布,同時能有效耗盡緩沖層中的載流子,減小緩沖層漏電,使PIBL AlGaN/GaN HEMT的擊穿電壓顯著提高.對器件的結構優化顯示,當t=0.2μm,tp=0.1μm時,Lgd=10μm的PIBL HEMT器件能實現高達1789 V的擊穿電壓,同時PIBL AlGaN/GaN HEMT的特征導通電阻僅為1.47 m?·cm2,品質因數(FOM=BV2/Ron,sp)高達1966 MW·cm?2.

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