結構參數對N極性面GaN/InAlN高電子遷移率晶體管性能的影響*

劉燕麗 王偉 董燕 陳敦軍? 張榮 鄭有炓

1) (山東工商學院信息與電子工程學院, 煙臺 264005)

2) (南京大學電子科學與工程學院, 南京 210093)

基于漂移-擴散傳輸模型、費米狄拉克統計模型以及Shockley-Read-Hall復合模型等, 通過自洽求解薛定諤方程、泊松方程以及載流子連續性方程, 模擬研究了材料結構參數對N極性面GaN/InAlN 高電子遷移率晶體管性能的影響及其物理機制.結果表明, 增加GaN溝道層的厚度(5—15 nm)與InAlN背勢壘層的厚度(10—40 nm), 均使得器件的飽和輸出電流增大, 閾值電壓發生負向漂移.器件的跨導峰值隨GaN溝道層厚度的增加與InAlN背勢壘層厚度的減小而減小.模擬中, 各種性能參數的變化趨勢均隨GaN溝道層與InAlN背勢壘層厚度的增加而逐漸變緩, 當GaN溝道層厚度超過15 nm、InAlN背勢壘層厚度超過40 nm后,器件的飽和輸出電流、閾值電壓等參數基本趨于穩定.材料結構參數對器件性能影響的主要原因可歸于器件內部極化效應、能帶結構以及溝道中二維電子氣的變化.

1 引 言

GaN基異質結由于具有禁帶寬度大、擊穿電場強、電子飽和漂移速度高等特性, 使得由其制作的高頻大功率電子器件在衛星通信、雷達、移動基站、汽車電子等領域展現出極大的應用潛力[1-3].自1993年第一只GaN基高電子遷移率晶體管(HEMT)器件被成功研制后[4], 隨著材料生長技術與器件工藝水平的逐步提高, HEMT器件的性能已得到顯著提升[5-10].然而該器件在高溫、高場下的性能退化問題一直是阻礙其進一步商業化發展的關鍵難題[11,12].

近年來, 研究者們主要針對如何有效提高GaN基HEMT器件的性能與可靠性問題開展了大量的研究工作.HEMT器件性能與可靠性的改善措施主要可以分為兩類.一類是圍繞器件結構進行優化設計, 如：場板技術[13,14](調制器件內電場分布, 提高器件的擊穿電壓、減小電流崩塌效應等)、凹柵技術[15,16](提高器件的柵控能力)以及鰭式晶體管技術[17,18](也稱為 Fin-FET, 通過增加柵極圍繞溝道的面積, 加強柵對溝道的控制)等.另一類是圍繞GaN基異質結材料結構進行優化設計, 如：勢壘層減薄技術[19,20](減小柵長的同時, 需要縮短柵極與溝道之間的距離, 抑制短溝道效應,提高器件的頻率特性和柵控能力)、帽層技術[21](增加肖特基接觸勢壘, 減小柵極漏電流)、組合勢壘[22]以及背勢壘技術[23,24](提高器件對溝道二維電子氣(2DEG)的限域性, 減小電流崩塌效應)等.上述結構優化措施主要圍繞Ga極性面GaN基HEMT器件進行.長期以來, 對于N極性面的材料與器件由于制備困難而相對研究較少.直到近年來, 隨著N極性面外延材料生長瓶頸的突破[25,26],研究人員開始將注意力轉移到N極性面材料與器件的研究中, 并成為新的研究熱點[27,28].

對于N極性面GaN基HEMT器件, 欲通過結構優化設計有效提高器件的性能與可靠性, 前提需弄清材料結構參數對器件性能的影響規律及其機理.雖然已有研究者分析了材料結構對N極性面GaN/AlGaN異質結中2DEG濃度的影響情況[29],但是關于材料結構參數對N極性面GaN/InAlN HEMT器件性能的影響尚未見系統的研究報道.相比于N極性面GaN/AlGaN異質結, N極性面GaN/InAlN異質結可通過調控InAlN材料的In組分使其與GaN達到晶格匹配.晶格匹配時,InAlN的In組分為0.17—0.18.晶格匹配的GaN/InAlN異質結界面處的極化差值與導帶帶階均遠大于常規GaN/AlGaN異質結, 因此, N極性面GaN/InAlN異質結具有更高的溝道2DEG濃度與更好的載流子限域性, 進而使得相應HEMT器件更適于高頻方面的應用[30].此外, GaN/AlGaN HEMT器件在高溫高場下由于逆壓電效應容易導致器件性能的退化, 而晶格匹配無應力的GaN/InAlN HEMT可避免因逆壓電效應引起的器件退化問題, 由此使得該器件在可靠性提升方面具有更大潛能.本文通過自洽求解薛定諤方程、泊松方程以及載流子連續性方程, 系統研究了GaN溝道層厚度、InAlN背勢壘層厚度對N極性面GaN/InAlN HEMT器件性能的影響規律及其物理機制.研究結果為N極性面GaN基HEMT器件中材料結構的優化設計提供了重要的理論依據.

2 器件結構

由于纖鋅礦結構的III族氮化物材料缺少反演對稱性, 導致該材料具有很強的極化效應.從襯底沿[0001]方向生長的Ga極性面材料與沿方向生長的N極性面材料, 由于原子排列方式的不同導致二者的極性相反.極化方向的不同使得在進行GaN基HEMT異質結構設計時, N極性面異質結中2DEG溝道處于勢壘層的上方, 勢壘層成為天然背勢壘.而Ga極性面異質結中2DEG溝道在勢壘層的下方.圖1為本文模擬所用的N極性面GaN/InAlN HEMT器件結構示意圖.藍寶石襯底上外延層依次為非故意摻雜的GaN緩沖層、In0.18Al0.82N背勢壘層和GaN溝道層.由于器件中2DEG的主要來源為極化誘導電荷, 并且實際實驗中非故意摻雜的GaN和InAlN材料中電子濃度均約為 1 × 1016cm—3.因此本文中 GaN 和InAlN 層內的電子濃度均設為 1 × 1016cm—3.器件的柵長設為 0.35 μm, 源漏之間的距離為 2 μm, 器件表面使用 SiN材料進行鈍化保護.模擬中GaN溝道層厚度的變化范圍設為 5—18 nm,InAlN背勢壘層厚度的變化范圍為10—45 nm.

圖1 N 極性面 GaN/InAlN HEMT 結構示意圖Fig.1.Schematic of N-polar GaN/InAlN HEMT structure.

3 理論模型

為了得到各種GaN溝道層厚度與InAlN背勢壘層厚度下N極性面GaN/InAlN HEMT器件的直流輸出特性與轉移特性曲線, 進而得出器件的飽和輸出電流密度、閾值電壓、跨導峰值等性能參數, 本文采用數值計算方法自洽求解了薛定諤方程、泊松方程以及載流子連續性方程.

由于GaN/InAlN異質結在界面處發生量子化效應, 形成了三角形量子阱.電子在界面勢阱中的波函數和能量本征值滿足薛定諤方程[31]

靜電勢可由泊松方程求得

式中?(z) 為靜電勢,ε為材料的介電常數,q為電子電荷,為離化施主濃度,n(z) 為電子的濃度.

為求得外加電場作用下器件的電學特性, 除上述方程外, 還需用到載流子連續性方程.由于空穴和受主電荷對總的電荷與電流的貢獻很小, 計算中未考慮空穴與受主電荷的影響[31].電子的連續性方程為

式中Jn是電子的電流密度,Gn和Rn分別為電子的產生與復合率.

上述計算過程中, 采用了與實際情況相符的漂移-擴散傳輸模型、費米-狄拉克載流子統計模型以及Shockley-Read-Hall復合模型等[32-34].模擬中,在進行HEMT器件材料結構區域設置時, 對于N極性面, GaN溝道層區域應定義在InAlN背勢壘層區域上方.而Ga極性面中, 勢壘層區域應定義在GaN溝道層上方.此外, N極性面的極化系數需設為正值, Ga極性面的極化系數為負值.

4 結果與討論

4.1 GaN溝道層厚度對N極性面GaN/InAlN HEMT性能的影響

對于Ga極性面HEMT器件, 為了提高器件的跨導與頻率特性, 需盡量減薄AlGaN或InAlN勢壘層的厚度.而對于N極性面GaN/InAlN HEMT器件, 增加背勢壘層厚度并不會導致器件跨導與輸出性能的下降, 在已有文獻報道中N極性面GaN/InAlN HEMT器件的InAlN層厚度通常為20 nm左右[35,36].因此, 模擬研究 GaN溝道層厚度對N極性面GaN/InAlN HEMT器件性能的影響時,In0.18Al0.82N背勢壘層的厚度固定為 20 nm, GaN溝道層厚度的變化范圍為 5—18 nm.圖2(a)—(c)分別為不同GaN溝道層厚度下, HEMT器件的輸出特性 (Vgs= 0 V)、轉移特性 (Vds= 10 V)以及跨導曲線.

由圖2(a)可知, GaN溝道層厚度在5—15 nm范圍內, 器件的飽和輸出電流隨GaN溝道層厚度的增加而增大, 增加趨勢逐漸變緩.由圖2(b)和圖2(c)可看出, 隨著GaN溝道層厚度的增加, 器件的閾值電壓發生負向漂移, 跨導峰值逐漸減小,并且二者的變化趨勢也逐漸變緩.當GaN溝道層厚度超過15 nm后, 器件的飽和輸出電流、閾值電壓基本趨于穩定.

圖2 不同 GaN 溝道層厚度下, N 極性面 GaN/InAlN HEMT器件的(a) 輸出特性、(b) 轉移特性和(c) 跨導曲線Fig.2.(a) Output characteristics, (b) transfer characteristics, and (c) transconductance curves of N-polar GaN/In-AlN HEMTs with different GaN channel thicknesses.

為解釋上述現象, 模擬分析了不同GaN溝道層厚度下HEMT器件柵極下方GaN/In0.18Al0.82N/GaN異質結的導帶結構與電子濃度的分布情況,結果見圖3(a)和圖3(b).由圖3(a)可看出, 當GaN溝道層的厚度增加時, 該層內能帶的傾斜變緩, 即GaN溝道層內總的內建電場強度減小, 然而電勢能在該層的降落數值增大, 導致GaN/InAlN界面處三角勢阱變深, 進而使得2DEG濃度隨之增大(圖3(b)).2DEG濃度的增大導致HEMT器件的飽和輸出電流增加, 耗盡溝道內2DEG需要的負向柵壓也更大, 因此器件的閾值電壓發生負向漂移.此外, 增加GaN溝道層的厚度, 導致器件柵極與2DEG溝道之間的距離增大, 從而使得器件的跨導即柵控能力隨之下降.然而2DEG濃度不會隨GaN溝道層厚度的增加而一直增大, 當GaN溝道層厚度超過15 nm后, 2DEG濃度基本趨于不變, 其主要原因可歸為表面態的電離情況.隨著GaN溝道層厚度的增大, 表面施主能級逐漸高于費米能級, 使得表面態離化增加, 離化產生的電子在極化電場的作用下轉移到GaN/InAlN界面處形成2DEG.當GaN溝道層厚度增大到一定值時,表面態全部電離, 從而致使2DEG濃度不變.因此, 當 GaN 溝道層厚度超過 15 nm 后, 器件的飽和輸出電流、閾值電壓等參數基本趨于不變.

圖3 不同 GaN 溝道層厚度下, N 極性面 GaN/InAlN HEMT器件柵極下方的(a)導帶結構和(b)電子濃度分布圖Fig.3.(a) Conduction-band energy diagram and (b) electron distribution in N-polar GaN/InAlN HEMTs with different GaN channel thicknesses.

由上述分析可得, 在一定范圍內增加GaN溝道層的厚度, 雖然可使得N極性面HEMT器件的2DEG濃度與飽和輸出電流增大, 即器件的功率性能可以得到提高, 但是器件的柵控能力(代表器件的工作頻率特性)下降.因此, 在進行N極性面HEMT器件中GaN溝道層厚度參數的優化設計時, 需要在器件的功率與頻率性能方面根據實際需求進行權衡與折中考慮.

4.2 InAlN背勢壘層厚度對N極性面GaN/InAlN HEMT性能的影響

由于減薄N極性面HEMT中GaN溝道層厚度可直接縮小柵極與2DEG溝道之間的距離, 從而使得在稍微降低器件輸出性能的同時較大程度地提高器件的跨導即柵控能力, 使其更適于高頻應用.因此, 模擬研究InAlN背勢壘層厚度對N極性面GaN/InAlN HEMT器件性能的影響時, GaN溝道層厚度設為5 nm, In0.18Al0.82N背勢壘層厚度的變化范圍為 10—45 nm.圖4(a)—(c)分別為不同InAlN背勢壘層厚度下, HEMT器件的輸出特性 (Vgs= 0 V)、轉移特性 (Vds= 10 V)以及跨導曲線.

由圖4可看出, N極性面GaN/InAlN HEMT器件的飽和輸出電流與跨導峰值隨著InAlN背勢壘層厚度的增加而增大, 器件的閾值電壓發生負向漂移.上述變化趨勢隨著InAlN背勢壘層厚度的增加而逐漸變緩.當InAlN厚度達40 nm時, 器件的性能參數基本趨于穩定.

為解釋上述現象, 模擬分析了不同InAlN背勢壘層厚度情況下, HEMT器件柵極下方GaN/In0.18Al0.82N/GaN異質結的導帶結構與電子濃度的分布情況, 結果如圖5(a)和圖5(b)所示.由圖5(a)及其插圖可知, 增加InAlN背勢壘層的厚度, 其極化效應相應增強, 導致GaN/InAlN界面處三角勢阱的深度增加, 相應 2DEG限域性得到提高.2DEG限域性的提高使得器件的跨導即柵控能力增大.另外, 極化效應的增強直接導致溝道內2DEG濃度的增加(如圖5(b)所示).2DEG濃度的增大使得HEMT器件的飽和輸出電流增大, 與此同時耗盡溝道2DEG需要更大的柵極負偏壓,即閾值電壓發生負向漂移.

由以上分析可得, 適當增加InAlN背勢壘層的厚度, 可使得N極性面HEMT器件的2DEG濃度、飽和輸出電流以及柵控能力得到提高.因此,在進行N極性面GaN/InAlN HEMT器件材料結構優化設計時, 在保證材料生長質量的基礎上應適當提高InAlN背勢壘層的厚度.

圖4 不同 InAlN 背勢壘層厚度下, N 極性面 GaN/InAlN HEMT器件的(a)輸出特性、(b) 轉移特性和(c)跨導曲線Fig.4.(a) Output characteristics, (b) transfer characteristics, and (c) transconductance curves of N-polar GaN/In-AlN HEMTs with different InAlN back barrier thicknesses.

將上述GaN溝道層厚度與InAlN背勢壘層厚度對器件性能影響的結果即圖2與圖3相比較可以看出, InAlN背勢壘層厚度對器件性能的影響更加顯著, 其內在物理原因可歸于極化效應對器件內部能帶結構與2DEG溝道的調控.由晶格匹配的InAlN/GaN異質結中2DEG的產生機理, 即InAlN與GaN材料自發極化的差值以及二者的導帶帶階導致在界面處形成三角形量子勢阱并誘導產生2DEG溝道可知, InAlN層內強的極化效應是2DEG產生的關鍵因素.相比于GaN, InAlN材料具有更強的極化效應, 因此, 增加InAlN背勢壘層的厚度比增加GaN溝道層厚度對界面處三角勢阱深度的增加幅度更大, 相應溝道限域性與2DEG濃度的增加量也更大, 進而導致器件的飽和輸出電流與跨導極值的改變量更為顯著.

圖5 不同 InAlN 背勢壘層厚度下, N 極性面 GaN/InAlN HEMT器件柵極下方的(a)導帶結構(內插圖為三角勢阱處導帶結構的局部放大圖), 以及(b) 電子濃度分布圖Fig.5.(a) Conduction-band energy diagram and (b) electron distribution in N-polar GaN/InAlN HEMTs with different InAlN back barrier thicknesses.The inset in panel(a) is the partial enlarged conduction-band energy of the rectangular quantum well.

為證明模擬結果的正確性與準確度, 需將其與實驗結果進行對比驗證.Wong等[37]報道了GaN溝道層厚度對N極性面GaN/AlGaN HEMT器件中2DEG濃度影響的實驗結果, GaN溝道層厚度在4—12 nm范圍內, 2DEG濃度隨厚度的增加而增大, 其變化規律與本文結果一致.另有王現彬等[29]報道了AlGaN背勢壘層厚度、GaN溝道層厚度對N極性面GaN/AlGaN異質結構中2DEG濃度與能帶影響的理論模擬, 其變化規律和趨勢也與本文結果基本一致.我們將在后續研究中進一步開展與本文模擬工作相對應的完整的實驗對比驗證工作.

5 結 論

本文通過自洽求解薛定諤方程、泊松方程以及載流子連續性方程, 模擬研究了材料結構參數對N極性面GaN/InAlN HEMT器件性能的影響規律.研究發現, 當 GaN 溝道層厚度從 5 nm 增加到15 nm時, 可使得2DEG濃度與器件的飽和輸出電流增大, 即器件的功率性能可以得到提高, 其主要原因可歸于GaN溝道層厚度對器件內部內建電場與能帶結構的影響.然而器件的柵控能力(代表器件的頻率特性)隨GaN溝道層厚度的增加而不斷下降.因此, 在進行N極性面HEMT器件中GaN溝道層厚度參數的優化設計時, 需要在器件的功率與頻率性能方面根據實際需求進行權衡考慮.增加 InAlN 背勢壘層的厚度 (10—40 nm), 可使得GaN/InAlN界面三角量子阱變深, 溝道限域性提高, 進而導致N極性面HEMT器件的2DEG濃度、飽和輸出電流以及柵控能力逐步得到提高.當InAlN厚度超過40 nm后, 器件的飽和輸出電流、閾值電壓、跨導峰值基本趨于不變.因此, 在進行N極性面GaN/InAlN HEMT器件結構優化設計時, 在保證材料生長質量的基礎上應適當增加InAlN背勢壘層的厚度.