影響AlGaN/GaN/AlGaN HEMT器件2DEG的因素

貴陽學院電子與通信工程學院 張子硯

1 引言

近年來，AlGaN/GaN異質結界面由于極化效應形成了高密度、高遷移率的二維電子氣（2DEG），其構成的器件性能優良而被廣泛研究應用。而AlGaN/GaN單異質結中，若溝道被夾斷，電子氣密度將會趨于零，GaN緩沖層一側的勢壘消失，能帶也拉平，電子氣在基態波函數擴展的很寬的范圍內將幾乎完全失去二維特性，其遷移率會大大降低，電學性能變差。而AlGaN/GaN/AlGaN雙異質結構，由于在GaN的另一側加入了Al組分較低的AlGaN背勢壘，提高了緩沖層一側的勢壘，增強了溝道量子阱中電子氣的限制，從而提高了HEMT器件的夾斷特性及輸出特性。本文分析AlGaN/GaN/AlGaN雙異質結構特性以及2DEG的分布情況，分析材料的個參數對2DEG的影響。

2 AlGaN/GaN/AlGaN HEMT器件結構

AlGaN/GaN/AlGaN HEMT是一種高遷移率的器件，其載流子遷移率可達8100cm2/ Vs，遠遠高于AlGaN/GaN單異質結中的最大載流子遷移率。與但異質結相比雙異質結AlGaN/GaN/AlGaN HEMT具有雙倍的電流傳輸能力，更好的夾斷特性，緩沖層的漏電流更小，更適合在微波功率或通信器件。

雙異質結AlGaN/GaN/AlGaN HEMT的結構如圖1所示，柵極采用肖特基接觸，源漏極為歐姆接觸。在GaN溝道生長前加入一個低Al組份的AlGaN被勢壘，形成一個AlGaN/GaN/AlGaN雙異質結。這樣的結構可以提高GaN緩沖層一側的勢壘，增強溝道勢阱中電子氣的量子限制作用，從而提高器件的性能。圖2是AlGaN/GaN單異質結和AlGaN/GaN/AlGaN雙異質結的勢壘分布和二維電子氣分布圖。從圖中可以看出，當采用了AlGaN背勢壘后，溝道勢阱的前半部分變化不大，而后半部分的能帶明顯提高，加強了量子限制作用，二維電子氣基本被限制在勢阱中。這種較強的限域特性有效的抑制了載流子溢出到緩沖層當中去，從而提高了載流子的遷移率，減小了器件的關態漏電流。使得器件的性能大大改善，故雙異質結器件更適合于高頻系統中。

圖1 器件的結構

圖2 2DEG分布和導帶分布

3 AlGaN/GaN中的2DEG

利用一維薛定諤-泊松方程量子效應自洽解的物理模型，異質結界面的導帶底勢阱對電子的連孩子限制作用可以用薛定諤方程來近似描述：

式中，m*(z)為與z方向位置有關的電子的有效質量，Ek、分別為二維電子氣的本征能級和波函數，是歸一化普朗克常量。

一維泊松方程：

其中ε為相對介電常數，V(z)為靜電勢，e為電子電荷，為離化的施主雜質濃度。

二維電子氣的面密度為：

式中，EF是費米能級和能量零點的差，kB玻爾茲曼常量，T是溫度。

4 AlGaN/GaN/AlGaN HEMT中2DEG的影響因素

二維電子氣濃度是決定HEMT器件性能的重要指標，它與異質結中的Al組分、勢壘厚度以及GaN溝道層厚度等都有較強的依賴關系。

對于未摻雜的AlGaN/GaN異質結界面形成的2DEG面密度為：

式中，σ(x)為極化電荷，ε(x)為介電常數，d為AlGaN層厚度，為表面勢壘高度。ΔEC為AlxGaN1-x和GaN之間的導帶斷續。

（1）上層AlGaN中Al組分的影響：對于AlGaN/GaN異質結界面，隨著AlGaN的Al組分的不斷增加，導致和GaN層之間的晶格常數、禁帶寬度差異跟著不斷層大，使得界面處的量子阱會逐漸加深，壓電極化效應也會不斷增強，極化電荷隨之增加。所以，2DEG濃度會隨Al組分的增大而升高。

（2）勢壘厚度的影響：隨著勢壘層厚度的不斷增大，載流子面密度也會不斷增加，但是增加趨勢相對隨Al組分的變化來講比較緩慢，這是由于勢壘層增大時，上層AlGaN層逐漸弛豫，降低了極化效應。

（3）背勢壘層AlGaN中Al組分的影響：AlGaN背勢壘層Al組分的提高增加了GaN/AlGaN異質結中的極化效應，使得該異質結中極化電場增強，背勢壘層高度增加，使得異質結能帶彎曲更陡峭，從而使2DEG分布更窄，增大了2DEG的限域性。而背勢壘層的應力為壓應力，其自身的壓電方向和AlGaN/GaN異質結夜店極化方向是相反的，在一定程度上抵消了該異質結的壓電極化效應。而且，被勢壘層的壓應力會向上傳導，使得上層的GaN和AlGaN層的應力狀態都會稍微改變，結果都是導致極化電荷減少，從而使得2DEG濃度下降。

（4）GaN溝道層厚度的影響：生長在AlGaN勢壘層上的GaN溝道層受到來自勢壘層的應壓力，成為壓應變GaN層。當GaN層越薄，它的壓應變就會越弱，從而使得AlGaN/GaN異質結的不匹配度減弱，也就導致了壓電效應變弱，極化電荷減少，故2DEG濃度就會下降。因此，當GaN層厚度減小時，2DEG的濃度會下降。

圖3 器件的輸出特性曲線

圖4 器件的轉移特性曲線

5 AlGaN/GaN/AlGaN HEMT的電學特性

在AlGaN/GaN/AlGaN HEMT器件中，由于雙異質結中載流子的限域性提高，溝道變窄，2DEG的面密度相對于單異質結中的要低，從而使得器件的飽和電流密度和跨導相對較低。圖3為柵極電壓為零時的輸出特性。而且，由于雙異質結溝道中較低的載流子密度，使得其需要一個較低的柵極電壓就可以耗盡溝道中的載流子，所以閾值電壓較小。圖4為器件的轉移特性曲線。雖然雙異質結器件的飽和電流密度和跨導都比較小，但是由于背勢壘層的作用，使得載流子的量子阱限制作用加強，有效的抑制了載流子溢到緩沖層中，從而減小了器件的關態漏電流，提高了器件的性能。

6 結論

分析了AlGaN/GaN/AlGaN HEMT器件的結構及能帶特性，由于極化效應和壓電效應，在器件的AlGaN/GaN界面處有高濃度的2DEG。而背勢壘層AlGaN的加入，加深了溝道量子阱的限制作用，從而提高了器件的電學性能。文中分析了影響AlGaN/GaN/AlGaN HEMT器件中2DEG的因素，與單異質結不同的是，背勢壘層中Al組分增大時2DEG的濃度會下降。而GaN層的厚度也影響著2DEG的分布，當GaN層的厚度變薄時，2DEG的濃度會有所下降。2DEG的分布及輸運直接影響到器件的電學特性，從器件的直流特性上看，雙異質結AlGaN/GaN/AlGaN HEMT器件器件的飽和電流密度和跨導相對較低，閾值電壓較低，但其最大的優越性是關態漏電流很小，使得器件的可靠性大大提高。

[1]常永明,毛維,郝躍.一種改進的AlGaN/GaN HEMT全局直流模型[J].微電子學,2017(47).

[2]張明蘭,王曉亮,楊瑞霞,胡國新.AlGaN/GaN HEMT中電場分布的ATLAS模擬[J].半導體技術,2010(35).

[3]薛舫時.氮化物異質結電子氣的二維特性和遷移率[J].固體電子學研究與進展,2007(27).

[4]王沖,等.AlGaN/GaN雙異質結F注入增強型高電子遷移率晶體管[J].物理學報,2016(3).