一種具有N埋層的AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管

張 飛，林 茂，毛鴻凱，蘇芳文，隋金池

(杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院,浙江 杭州 310018)

近年來，人們對以GaN為代表的第三代半導(dǎo)體材料進(jìn)行了大量的研究[1-2]。由于GaN材料具有許多優(yōu)異性能，例如高的臨界擊穿電場、寬的禁帶寬度、低的導(dǎo)通電阻和高的電子遷移率等，因此AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管(High-Electron Mobility Transistor，HEMT)在多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[3-8]。然而，與傳統(tǒng)的硅基半導(dǎo)體器件相比，GaN基半導(dǎo)體器件依然存在一些問題需要解決，其優(yōu)良特性還沒有完全發(fā)揮出來[9]。

為了提高AlGaN/GaN HEMT的擊穿電壓(Breakdown Voltage, BV)，發(fā)揮出GaN材料的耐高壓特性，國內(nèi)外研究人員提出了各種方法，例如緩沖層摻Fe[10-11]或C[12-14]等雜質(zhì)以及采用AlGaN背勢壘[15-17]作為緩沖層等。然而，這些方法都是通過犧牲器件的導(dǎo)通電阻來換取擊穿電壓的提升，即通過折中導(dǎo)通電阻和擊穿電壓實(shí)現(xiàn)Baliga優(yōu)值(Baliga’s Figure of Merit，BFOM)的改善，沒有進(jìn)一步發(fā)揮出AlGaN/GaN HEMT導(dǎo)通電阻低的優(yōu)點(diǎn)。

對于GaN基功率器件來說，在確保器件具有較低的導(dǎo)通電阻的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)高的擊穿電壓才是有意義的[18]。因此，從改善器件的擊穿電壓和保持器件低的導(dǎo)通電阻著手，提出了一種具有N型GaN埋層的AlGaN/GaN HEMT結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)能夠在不犧牲器件導(dǎo)通電阻的基礎(chǔ)上，明顯改善器件擊穿電壓，發(fā)揮出GaN HEMT器件的耐高壓特性。

1 器件仿真

(a)

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)(C-HEMT)和具有N型GaN埋層的結(jié)構(gòu)(N-HEMT)的截面圖如圖1所示。兩個(gè)結(jié)構(gòu)具有共同的基礎(chǔ)層，包括GaN復(fù)合緩沖層、GaN溝道層、Al0.15Ga0.85N勢壘層、Si3N4鈍化層和柵介質(zhì)等，詳細(xì)參數(shù)信息如表1所示。兩個(gè)器件的柵長LG、柵漏間距LGD和柵源間距LGS分別為0.5 μm、6 μm和0.5 μm。GaN溝道層和Al0.15Ga0.85N勢壘層均不摻雜，GaN復(fù)合緩沖層由GaN Middle緩沖層和GaN Bottom緩沖層兩個(gè)部分構(gòu)成。為了降低GaN復(fù)合緩沖層的泄漏電流，GaN Middle緩沖層和Bottom緩沖層具有濃度分別為2×1016cm-3和4×1018cm-3的受主雜質(zhì)。受主雜質(zhì)的能級距離GaN導(dǎo)帶0.9 eV處，即EV+0.9 eV，俘獲截面為1.3×10-14cm-2。為了實(shí)現(xiàn)常關(guān)型器件，位于柵電極區(qū)域下方的Al0.15Ga0.85N勢壘層和GaN溝道層被完全刻蝕。同時(shí)，采用Si3N4材料作為柵極介質(zhì)，以降低器件的柵極泄漏電流。為了降低器件的襯底漏電，在仿真研究中去除了襯底。在新結(jié)構(gòu)中，N型GaN埋層與GaN溝道層的間距設(shè)為D，埋層的長度設(shè)為LN，厚度TN固定為0.1 μm，N型GaN埋層的摻雜濃度為Nd。

通過Sentaurus公司的TCAD(Technology Computer Aided Design)仿真軟件研究器件的電學(xué)特性。在二維器件仿真研究中，添加了一些GaN器件經(jīng)常使用的物理模型，例如Auger復(fù)合和SRH(Shockley-Read-Hall)復(fù)合模型、遷移率模型、極化模型和碰撞電離模型等，這些模型已經(jīng)在之前的研究中驗(yàn)證過[19]。

表1 結(jié)構(gòu)的參數(shù)列表

2 結(jié)果與討論

C-HEMT和N-HEMT的擊穿特性和輸出特性分別如圖2和圖3所示。器件的擊穿電壓定義為漏極泄漏電流達(dá)到1 μA·mm-1時(shí)的漏極電壓。由圖2可以看出：與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)C-HEMT相比，新結(jié)構(gòu)N-HEMT的泄漏電流更低，因此具有更高的擊穿電壓。而兩者的導(dǎo)通特性沒有變化，新結(jié)構(gòu)N-HEMT在保持導(dǎo)通電阻不變的情況下提高了器件的耐壓能力。這是因?yàn)楫?dāng)器件處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，N-GaN埋層可以起到調(diào)制器件電場分布的作用。降低高場區(qū)的電場峰值，處于高場區(qū)的碰撞電離程度減弱。因此器件的泄漏電流減小，器件的擊穿電壓得以提高。

圖2 C-HEMT和N-HEMT結(jié)構(gòu)的擊穿特性

圖3 C-HEMT和N-HEMT結(jié)構(gòu)的輸出特性

如圖4所示，當(dāng)器件關(guān)斷且漏極電壓為500 V時(shí)，N-HEMT在不同埋層長度LN時(shí)的溝道電場分布有所不同。當(dāng)LN= 0 μm，即為C-HEMT時(shí)，器件柵場板附近的電場峰值較高。隨著N-GaN埋層長度的增加，該電場峰值不斷下降，這說明N-GaN埋層可以調(diào)制器件的電場分布，緩解柵場板附近的高電場，避免器件提前擊穿，進(jìn)而提高器件的擊穿電壓。由于引入的埋層為N型，沒有影響到溝道中的二維電子氣(Two Dimensional Electron Gas，2DEG)濃度分布，因此器件的輸出特性不受埋層的影響。

圖4 N-HEMT結(jié)構(gòu)關(guān)斷且漏極電壓為500 V時(shí)的橫向溝道電場分布

當(dāng)C-HEMT和N-HEMT在關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，其電勢分布和橫向溝道電場分布分別如圖5和圖6所示。由圖5可以看出，與C-HEMT的電勢分布相比，由于N-GaN埋層的調(diào)制效應(yīng)，N-HEMT的電勢分布受到了明顯的調(diào)制，特別是在柵極和柵場板附近的下方區(qū)域。由圖6可以看出，C-HEMT在柵漏之間的電場分布不均勻，特別是柵場板附近的區(qū)域具有較高的電場峰值，該區(qū)域的高電場使得載流子的碰撞電離程度加劇，使器件的泄漏電流較大，器件提前擊穿。而對于N-HEMT，由于N-GaN埋層的調(diào)制效應(yīng)，使器件柵漏之間的電場分布變得更加均勻。

(a)

圖6 器件橫向溝道電場分布

為了優(yōu)化N-GaN埋層的參數(shù)，下面將分別研究N-GaN埋層的長度LN、摻雜濃度Nd及埋層與GaN溝道層間距D對器件電學(xué)特性的影響。由于BFOM是擊穿電壓的平方與特征導(dǎo)通電阻的比值(BV2/Ron,sp)[20]，而N-GaN埋層對器件的輸出特性沒有影響，所以BFOM的變化趨勢與擊穿電壓保持一致，在后續(xù)分析中將不再給出各參數(shù)對應(yīng)的BFOM變化趨勢。

圖7 埋層長度LN對N-HEMT擊穿電壓和導(dǎo)通電阻的影響

N-GaN埋層長度LN對器件的擊穿電壓和導(dǎo)通電阻的影響如圖7所示。由圖7可以看出，隨著埋層長度LN的增加，N-HEMT的擊穿電壓先增大后逐漸降低，而導(dǎo)通電阻基本不變。這是因?yàn)殡S著N-GaN埋層長度的增加，埋層對電場起到了調(diào)制的作用，埋層的調(diào)制作用隨著其長度的增加而逐漸增加。在LN=2.2 μm時(shí)，埋層的調(diào)制作用達(dá)到最強(qiáng)，擊穿電壓達(dá)到最大。隨著埋層長度繼續(xù)增加，埋層的調(diào)制作用開始減弱，器件的擊穿電壓開始降低。由于埋層的雜質(zhì)為N型，不會對器件導(dǎo)電溝道中的2DEG濃度產(chǎn)生影響，因此埋層對器件的導(dǎo)通電阻沒有明顯的影響。根據(jù)圖7中擊穿電壓的變化趨勢，埋層長度LN的優(yōu)值是2.2 μm。

圖8 埋層濃度Nd對N-HEMT擊穿電壓和導(dǎo)通電阻的影響

N-GaN埋層濃度Nd對器件的擊穿電壓和導(dǎo)通電阻的影響如圖8所示。由圖8可以看出，當(dāng)埋層摻雜濃度Nd的超過一定濃度時(shí)，N-HEMT的擊穿電壓會降低，而導(dǎo)通電阻基本不變。這是因?yàn)槁駥訐诫s的為N型雜質(zhì)，會電離出電子。當(dāng)器件處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，施主雜質(zhì)電離出的電子會使器件的泄漏電流增大，從而導(dǎo)致器件的擊穿電壓出現(xiàn)下降。結(jié)合工藝條件，當(dāng)N-GaN埋層的摻雜濃度為1×1017cm-3時(shí)，器件就可以獲得較高的擊穿電壓，N-GaN埋層摻雜濃度的優(yōu)值為1×1017cm-3。

圖9 埋層與溝道層間距D對N-HEMT擊穿電壓和導(dǎo)通電阻的影響

N-GaN埋層與GaN溝道層間距D對器件擊穿電壓和導(dǎo)通電阻的影響如圖9所示。由圖9可以看出，隨著埋層與溝道層間距D的增加， N-HEMT的擊穿電壓逐漸增大，而導(dǎo)通電阻基本不變。這是因?yàn)镹型GaN埋層會電離出相應(yīng)的電子，當(dāng)埋層離溝道層越近時(shí)，電離出的電子越容易進(jìn)入到導(dǎo)電溝道中，使器件的泄漏電流逐漸增加，擊穿電壓相應(yīng)地降低。由于N-GaN埋層對溝道2DEG濃度沒有影響，因此器件的導(dǎo)通電阻不隨D而變化。所以，當(dāng)N-GaN埋層位于緩沖層的底部(D= 1.9 μm)時(shí)，可以獲得較高的擊穿電壓。最終，當(dāng)N-GaN埋層的長度LN、摻雜濃度Nd和埋層與GaN溝道層間距D分別為2.2 μm、1×1017cm-3和1.9 μm時(shí)，N-HEMT的擊穿電壓達(dá)到了892 V，輸出特性不受影響。

3 結(jié)束語

本文提出了一種具有N埋層的AlGaN/GaN HEMT耐壓結(jié)構(gòu)，該埋層能夠有效地調(diào)制電場，降低高場區(qū)的電場峰值，同時(shí)使得柵漏之間的溝道電場分布更加均勻，提高器件的擊穿電壓。TCAD仿真研究表明，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的擊穿電壓(530 V)相比，新結(jié)構(gòu)的擊穿電壓提高了68%，達(dá)到了892 V，輸出特性保持不變。這表明新結(jié)構(gòu)在保持器件導(dǎo)通電阻不變的情況下，該方法可以有效提高器件的擊穿電壓，使得GaN材料充分發(fā)揮其耐高壓、導(dǎo)通電阻低的優(yōu)勢。