影響AlGaN/GaN/AlGaN HEMT器件2DEG的因素

貴陽(yáng)學(xué)院電子與通信工程學(xué)院 張子硯

1 引言

近年來(lái)，AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面由于極化效應(yīng)形成了高密度、高遷移率的二維電子氣（2DEG），其構(gòu)成的器件性能優(yōu)良而被廣泛研究應(yīng)用。而AlGaN/GaN單異質(zhì)結(jié)中，若溝道被夾斷，電子氣密度將會(huì)趨于零，GaN緩沖層一側(cè)的勢(shì)壘消失，能帶也拉平，電子氣在基態(tài)波函數(shù)擴(kuò)展的很寬的范圍內(nèi)將幾乎完全失去二維特性，其遷移率會(huì)大大降低，電學(xué)性能變差。而AlGaN/GaN/AlGaN雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)，由于在GaN的另一側(cè)加入了Al組分較低的AlGaN背勢(shì)壘，提高了緩沖層一側(cè)的勢(shì)壘，增強(qiáng)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(zhì)結(jié)構(gòu)特性以及2DEG的分布情況，分析材料的個(gè)參數(shù)對(duì)2DEG的影響。

2 AlGaN/GaN/AlGaN HEMT器件結(jié)構(gòu)

AlGaN/GaN/AlGaN HEMT是一種高遷移率的器件，其載流子遷移率可達(dá)8100cm2/ Vs，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于AlGaN/GaN單異質(zhì)結(jié)中的最大載流子遷移率。與但異質(zhì)結(jié)相比雙異質(zhì)結(jié)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(zhì)結(jié)AlGaN/GaN/AlGaN HEMT的結(jié)構(gòu)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(zhǎng)前加入一個(gè)低Al組份的AlGaN被勢(shì)壘，形成一個(gè)AlGaN/GaN/AlGaN雙異質(zhì)結(jié)。這樣的結(jié)構(gòu)可以提高GaN緩沖層一側(cè)的勢(shì)壘，增強(qiáng)溝道勢(shì)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(zhì)結(jié)和AlGaN/GaN/AlGaN雙異質(zhì)結(jié)的勢(shì)壘分布和二維電子氣分布圖。從圖中可以看出，當(dāng)采用了AlGaN背勢(shì)壘后，溝道勢(shì)阱的前半部分變化不大，而后半部分的能帶明顯提高，加強(qiáng)了量子限制作用，二維電子氣基本被限制在勢(shì)阱中。這種較強(qiáng)的限域特性有效的抑制了載流子溢出到緩沖層當(dāng)中去，從而提高了載流子的遷移率，減小了器件的關(guān)態(tài)漏電流。使得器件的性能大大改善，故雙異質(zhì)結(jié)器件更適合于高頻系統(tǒng)中。

圖1 器件的結(jié)構(gòu)

圖2 2DEG分布和導(dǎo)帶分布

3 AlGaN/GaN中的2DEG

利用一維薛定諤-泊松方程量子效應(yīng)自洽解的物理模型，異質(zhì)結(jié)界面的導(dǎo)帶底勢(shì)阱對(duì)電子的連孩子限制作用可以用薛定諤方程來(lái)近似描述：

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

一維泊松方程：

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

二維電子氣的面密度為：

式中，EF是費(fèi)米能級(jí)和能量零點(diǎn)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(biāo)，它與異質(zhì)結(jié)中的Al組分、勢(shì)壘厚度以及GaN溝道層厚度等都有較強(qiáng)的依賴關(guān)系。

對(duì)于未摻雜的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)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(shù)，d為AlGaN層厚度，為表面勢(shì)壘高度。ΔEC為AlxGaN1-x和GaN之間的導(dǎo)帶斷續(xù)。

（1）上層AlGaN中Al組分的影響：對(duì)于AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面，隨著AlGaN的Al組分的不斷增加，導(dǎo)致和GaN層之間的晶格常數(shù)、禁帶寬度差異跟著不斷層大，使得界面處的量子阱會(huì)逐漸加深，壓電極化效應(yīng)也會(huì)不斷增強(qiáng)，極化電荷隨之增加。所以，2DEG濃度會(huì)隨Al組分的增大而升高。

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

（3）背勢(shì)壘層AlGaN中Al組分的影響：AlGaN背勢(shì)壘層Al組分的提高增加了GaN/AlGaN異質(zhì)結(jié)中的極化效應(yīng)，使得該異質(zhì)結(jié)中極化電場(chǎng)增強(qiáng)，背勢(shì)壘層高度增加，使得異質(zhì)結(jié)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(shì)壘層的應(yīng)力為壓應(yīng)力，其自身的壓電方向和AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)夜店極化方向是相反的，在一定程度上抵消了該異質(zhì)結(jié)的壓電極化效應(yīng)。而且，被勢(shì)壘層的壓應(yīng)力會(huì)向上傳導(dǎo)，使得上層的GaN和AlGaN層的應(yīng)力狀態(tài)都會(huì)稍微改變，結(jié)果都是導(dǎo)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(zhǎng)在AlGaN勢(shì)壘層上的GaN溝道層受到來(lái)自勢(shì)壘層的應(yīng)壓力，成為壓應(yīng)變GaN層。當(dāng)GaN層越薄，它的壓應(yīng)變就會(huì)越弱，從而使得AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)的不匹配度減弱，也就導(dǎo)致了壓電效應(yīng)變?nèi)?，極化電荷減少，故2DEG濃度就會(huì)下降。因此，當(dāng)GaN層厚度減小時(shí)，2DEG的濃度會(huì)下降。

圖3 器件的輸出特性曲線

圖4 器件的轉(zhuǎn)移特性曲線

5 AlGaN/GaN/AlGaN HEMT的電學(xué)特性

在AlGaN/GaN/AlGaN HEMT器件中，由于雙異質(zhì)結(jié)中載流子的限域性提高，溝道變窄，2DEG的面密度相對(duì)于單異質(zhì)結(jié)中的要低，從而使得器件的飽和電流密度和跨導(dǎo)相對(duì)較低。圖3為柵極電壓為零時(shí)的輸出特性。而且，由于雙異質(zhì)結(jié)溝道中較低的載流子密度，使得其需要一個(gè)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(zhuǎn)移特性曲線。雖然雙異質(zhì)結(jié)器件的飽和電流密度和跨導(dǎo)都比較小，但是由于背勢(shì)壘層的作用，使得載流子的量子阱限制作用加強(qiáng)，有效的抑制了載流子溢到緩沖層中，從而減小了器件的關(guān)態(tài)漏電流，提高了器件的性能。

6 結(jié)論

分析了AlGaN/GaN/AlGaN HEMT器件的結(jié)構(gòu)及能帶特性，由于極化效應(yīng)和壓電效應(yīng)，在器件的AlGaN/GaN界面處有高濃度的2DEG。而背勢(shì)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(xué)性能。文中分析了影響AlGaN/GaN/AlGaN HEMT器件中2DEG的因素，與單異質(zhì)結(jié)不同的是，背勢(shì)壘層中Al組分增大時(shí)2DEG的濃度會(huì)下降。而GaN層的厚度也影響著2DEG的分布，當(dāng)GaN層的厚度變薄時(shí)，2DEG的濃度會(huì)有所下降。2DEG的分布及輸運(yùn)直接影響到器件的電學(xué)特性，從器件的直流特性上看，雙異質(zhì)結(jié)AlGaN/GaN/AlGaN HEMT器件器件的飽和電流密度和跨導(dǎo)相對(duì)較低，閾值電壓較低，但其最大的優(yōu)越性是關(guān)態(tài)漏電流很小，使得器件的可靠性大大提高。

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