新型結(jié)構(gòu)的HEMT優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉 劍，程知群，胡 莎，周偉堅(jiān)

(杭州電子科技大學(xué)射頻電路與系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州310018)

0 引言

以GaN材料為襯底的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)高速電子遷移率晶體管(High Electron Mobility Transistor，HEMT)由于存在自發(fā)極化和壓電極化，可以在異質(zhì)結(jié)表面產(chǎn)生高濃度的二維電子氣(2DEG)，并且具有良好的高頻特性和噪聲性能以及耐高壓高溫性等優(yōu)勢(shì)，使其成為微波射頻領(lǐng)域最有潛力的功率器件之一［1，2］。國(guó)際上對(duì)于GaN基HEMT的研究成果已經(jīng)相當(dāng)豐富，本文對(duì)已提出的一種新型復(fù)合溝道AlxGa1－xN/AlyGa1－yN/GaN HEMT以及之后進(jìn)行改進(jìn)后形成的新器件結(jié)構(gòu) AlxGa1－xN/AlN/AlyGa1－yN/GaN HEMT 進(jìn)行了深入的研究［1，3，4］，提出了一種新型結(jié)構(gòu) AlxGa1－xN/AlN/GaN/InyGa1－yN/GaN HEMT，并探討了InyGa1－yN層中In含量對(duì)于器件性能的影響，最后通過(guò)TCAD對(duì)器件進(jìn)行仿真獲得了較好的線性度以及跨導(dǎo)等性能。

1 器件結(jié)構(gòu)與分析

本文通過(guò)自洽求解Poisson方程以及TCAD程序仿真得到主溝道內(nèi)電子濃度隨著勢(shì)壘層或者復(fù)合溝道層的增加而增加并在其達(dá)到一定厚度后趨于飽和，主溝道內(nèi)電子濃度隨勢(shì)壘層中Al含量的上升而上升，而AlN隔離層的加入在提高主溝道載流子的濃度的同時(shí)改善了柵端的泄漏特性，一方面AlN的加入在一定程度上降低了器件的跨導(dǎo)［5，6］，另一方面 InGaN的禁帶寬度僅為0.8eV左右，遠(yuǎn)小于GaN［7］，而由于InGaN為InN和GaN的線性組合，這使得InGaN的禁帶寬度比GaN小了很多，加上In-GaN和GaN間的晶格不匹配度較高，會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的壓電極化效應(yīng)，從而在GaN/InGaN/GaN產(chǎn)生了次溝道，并能更好的限制2DEG溝道內(nèi)的載流子以及有效減小緩沖層漏電流，另外為了能產(chǎn)生足夠高的勢(shì)壘同時(shí)降低工藝上生長(zhǎng)厚InGaN的壓力［8］，將InGaN層的厚度選擇為3nm。綜合上述考慮我們提出了新型的HEMT結(jié)構(gòu)及能帶圖，如圖1所示，該剖面圖1(a)自上而下依次為:21nm為摻雜Al0.3Ga0.7N勢(shì)壘層，2nm AlN隔離層，8nm GaN復(fù)合溝道層，3nm InyGa1－yN層以及2.5um的GaN緩沖層和藍(lán)寶石襯底［1，3，4，9］。如圖1(b)所示，從該能帶圖中可見(jiàn)，由于有次溝道的存在，當(dāng)柵極加電壓時(shí)，次溝道對(duì)主溝道有屏蔽作用，從而使主溝道內(nèi)電子散射變小，在一定程度上提高了器件的線性度［9］。本文提出的新型結(jié)構(gòu)是在課題組之前的HEMT結(jié)構(gòu)中加入了InyGa1－yN層，所以之后將重點(diǎn)研究分析此層對(duì)于器件性能的影響。

圖1 HMET剖面及能帶圖

主次溝道內(nèi)載流子濃度隨In含量的變化曲線，如圖2所示，從圖2中可以看出隨著In含量的升高，主溝道內(nèi)的電子濃度基本保持不變而次溝道內(nèi)的電子濃度則隨之線性上升，當(dāng)In含量在10%左右時(shí)，新結(jié)構(gòu)的HEMT次溝道內(nèi)電子濃度上升到了HEMT的次溝道電子濃度僅1.0×1019/cm3左右［4］，這是因?yàn)镮nyGa1－yN的壓電極化隨著In含量的升高而上升，且InyGa1－yN/GaN一側(cè)相應(yīng)的勢(shì)壘也隨In組分的增加而增加，從而更好地限制了溝道內(nèi)的2DEG，使得溝道內(nèi)的電子濃度隨之上升。

主次溝道內(nèi)電子遷移率隨In含量的變化情況，如圖3所示。主溝道內(nèi)的電子遷移率幾乎不隨In的改變而發(fā)生變化，基本保持在1 460cm2/Vs左右。而隨著In含量的升高次溝道內(nèi)電子遷移率不斷下降。這主要是因?yàn)樵谏L(zhǎng)In的過(guò)程中容易起球，令溝道不均勻，加之InyGa1－yN層存在的位錯(cuò)，從而增大了合金散射，In的含量越大這種散射就越嚴(yán)重，引起溝道內(nèi)電子遷移率的下降［10］。因此在確定In的百分含量時(shí)需綜合考慮其對(duì)次溝道內(nèi)電子濃度及電子遷移率的影響。

圖2 主次溝道內(nèi)電子濃度隨In含量的變化曲線

圖3 主次溝道內(nèi)電子遷移率隨In含量的變化曲線

為了進(jìn)一步確定不同In含量對(duì)器件性能的影響，在In組分為5%，10%和15%時(shí)，利用TCAD對(duì)器件進(jìn)行了直流仿真，獲得的Id-Vg特性曲線，如圖4所示，相對(duì)應(yīng)的跨導(dǎo)，如圖5所示。從圖4中易得In含量的不同對(duì)閾值電壓的影響不大，但隨著柵壓的上升，最大漏電流則隨In含量的上升而降低，這一結(jié)果源于次溝道內(nèi)電子遷移率隨In組分升高而降低，10%相比于5%的最大電流減小量明顯小于15%相對(duì)于10%的減小量;圖5中可以看到，10%的In組分相比于5%線性度稍有改善，但是最大跨導(dǎo)稍有下降，而15%的In組分相比于10%線性度已經(jīng)出現(xiàn)較明顯的惡化，且跨導(dǎo)的下降也比較大。

圖4 不同In含量下Id-Vg曲線

圖5 不同In含量下相應(yīng)的跨導(dǎo)曲線

2 器件仿真結(jié)果

綜合考慮器件溝道內(nèi)電子濃度、線性度、最大跨導(dǎo)以及最大漏極電流等多方面性能要求，最終將In的含量定位10%，并設(shè)計(jì)了柵長(zhǎng)為0.25μm柵寬100μm Al0.3Ga0.7N/AlN/GaN/In0.1Ga0.9N/GaN HEMT，柵源距離0.75μm，柵漏距離1μm。利用TCAD對(duì)該器件仿真，直流輸出特性曲線如圖6所示，漏壓為7V時(shí)的轉(zhuǎn)移特性曲線如圖7所示，則該器件閾值電壓－5.3V，柵壓在－7V到1V間最大漏極電流為2 220mA/mm，能獲得的最大跨導(dǎo)為440mSmm。文獻(xiàn)4中設(shè)計(jì)的Al0.3Ga0.7N/Al0.05Ga0.95N/GaN HEMT最大漏極電流密度和最大跨導(dǎo)分別為1 300mA/mm與300mS/mm，文獻(xiàn)8設(shè)計(jì)的AlGaN/GaN/InGaN/GaN HEMT的最大漏極電流密度和最大跨導(dǎo)分別為1 100mA/mm與210mS/mm。與文獻(xiàn)4和8的結(jié)果相比，本文提出的新型Al0.3Ga0.7N/AlN/GaN/In0.1Ga0.9N/GaN HEMT在最大漏極電流密度和最大跨導(dǎo)都有了明顯提高。而且在－3.5～－0.5V范圍內(nèi)HEMT跨導(dǎo)變化量很小，說(shuō)明新結(jié)構(gòu)有良好的線性度。

圖6 器件輸出特性曲線

圖7 器件轉(zhuǎn)移特性曲線

3 結(jié)束語(yǔ)

本文嘗試提出了新型的AlxGa1－xN/AlN/GaN/InyGa1－yN/GaN HEMT結(jié)構(gòu)，并著重研究了InyGa1－yN插入層中In含量對(duì)器件性能的影響，相比于本課題組之前提出的雙溝道HEMT結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在保持良好線性度的同時(shí)最大漏極電流以及最大跨導(dǎo)等性能方面都有一定提高，對(duì)于GaN基HEMT線性功率器件的后續(xù)研究具有一定得參考價(jià)值。

［1］Cheng Z Q，Cai Y，Liu J.A Low Phase-Noise X-Band MMIC VCO Using High-Linearity and Low-Noise Composite-Channel Al0.3Ga0.7N/Al0.05Ga0.95N/GaN HEMTs［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2007，55(1):23－29.

［2］Sudou M，Andersson K，F(xiàn)agerlind M .A Single-Ended Resistive X-Band AlGaN/GaN HEMT MMIC Mixer［J］.IEEE transactions on Microwave Theory and Techniques，2008，56(10):2 201 －2 206.

［3］Cheng Z Q，Liu J，Zhou Y G .Broadband Microwave Noise Characteristics of High-Linearity Composite-Channel Al0.3Ga0.7N/Al0.05Ga0.95N/GaN HEMTs［J］.IEEE Electron Device Letters，2005，26(8):521 －523.

［4］張進(jìn)城，王沖，楊燕，等.AlN阻擋層對(duì)AlGaN/GaN HEMT器件的影響［J］.半導(dǎo)體學(xué)報(bào)，2005，26(12):2 396－2 400.

［5］倪金玉，郝躍，張進(jìn)成，等.高溫AlN插入層對(duì)AlGaN/GaN異質(zhì)節(jié)材料和HEMTs器件電學(xué)特性的影響［J］.物理學(xué)報(bào)，2009，58(7):4 925 －4 929.

［6］Jie Liu，Yugang Zhou，Jia Zhu .DC and RF Characteristics of AlGaN/GaN/InGaN/GaN Double-Heterojunction HEMTs［J］.IEEE Transactions On Electron Devices，2007，54(1):5 －10.

［7］Ibrahim Khalil，Eldad Bahat-Treidel，F(xiàn)rank Schnieder .Improving the Linearity of GaN HEMTs by Optimizing Epitaxial Structure［J］.IEEE Transactions On Electron Devices，2009，56(3):361 －364.

［8］薛舫時(shí).氮化物異質(zhì)結(jié)電子氣的二維特性和遷移率［J］.固體電子學(xué)研究與進(jìn)展，2007，27(1):1－7.