AlGaN/GaN HEMT 器件場(chǎng)板長(zhǎng)度對(duì)擊穿電壓的影響

◎宋富虎 劉悅 張佳宜 陳沖

相比于第一，第二代半導(dǎo)體，GaN 半導(dǎo)體材料具有禁帶寬度大、擊穿場(chǎng)強(qiáng)高、電子飽和速度大、導(dǎo)熱性能好等優(yōu)點(diǎn)。AlGaN/GaN HEMT 作為GaN 基電子器件的代表，在微波大功率領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

一、常規(guī)AlGaN/GaN?HEMT 器件基本結(jié)構(gòu)

圖為常規(guī)AlGaN/GaN 高電子遷移率器件的結(jié)構(gòu)圖，圖中器件由下至上分別為藍(lán)寶石（Sapphire）襯底層，藍(lán)寶石作為GaN 材料的襯底，其主要的優(yōu)點(diǎn)有以下幾個(gè)方面，第一：藍(lán)寶石襯底的生產(chǎn)技術(shù)成熟、器件質(zhì)量較好，第二、藍(lán)寶石的穩(wěn)定性很好，適用于GaN 緩沖層的高溫生長(zhǎng)，第三、藍(lán)寶石的機(jī)械強(qiáng)度高，易于實(shí)際生產(chǎn)中的處理和清洗。AlN 為器件成核層，成核層的引入主要用于提升器件外延生長(zhǎng)的質(zhì)量，一般AlN 的厚度為100nm 左右；然后是GaN 材料緩沖層，GaN 緩沖層上是AlGaN 勢(shì)壘層，具體方法為在GaN 晶體上生長(zhǎng)上一層AlGaN，但由于GaN 和Al-GaN 晶體在(001)方向上不滿足反轉(zhuǎn)對(duì)稱性，故AlGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)面上存在很強(qiáng)的自發(fā)極化效應(yīng)，同時(shí)又由于AlGaN 與GaN 為兩種不同的半導(dǎo)體材料，界面接觸處晶格會(huì)發(fā)生形變，引起很強(qiáng)的壓電極化效應(yīng)]，通過兩種極化效應(yīng)的相互增強(qiáng)，在AlGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)界面將誘導(dǎo)出大量正的極化電荷，由庫侖定律可知，正極化電荷會(huì)吸引帶有負(fù)電的電子向AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面積累, 最終在AlGaN/GaN 交界面處的薄層將形成高密度二維電子氣（2DEG），理想狀態(tài)下二維電子氣指的是一種只能在AlGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)材料界面處自由移動(dòng)的電子，在與異質(zhì)結(jié)垂直的界面上不發(fā)生移動(dòng)，但在器件實(shí)際工作中，由于源漏偏壓過大或二維電子氣本身的量子效應(yīng)，其可以在AlGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)界面發(fā)生移動(dòng)，形成反向柵泄露電流，影響器件的功能。柵下的GaN 層為器件的帽層結(jié)構(gòu)，帽層結(jié)構(gòu)的引入主要用于減小Al-GaN 界面的表面電荷缺陷。SiN 為器件的鈍化層，用于處理器件的表面結(jié)構(gòu)，減小表面缺陷，降低柵反向泄漏電流。事實(shí)上，若柵極與漏極之間的鈍化層不與漏極相連，此時(shí)的SiN 鈍化層結(jié)構(gòu)就被稱為場(chǎng)板結(jié)構(gòu)(FP 結(jié)構(gòu))。S 為器件的源極，G 為器件的柵極，D 為器件的漏極，柵極主要用于控制器件的關(guān)斷，正向電壓下負(fù)電性的電子將在極化層處大量堆積，異質(zhì)結(jié)表面將形成大量的二維電子氣（2DEG），此時(shí)在S 端和D 端外加偏壓，電子將發(fā)生定向移動(dòng)，形成電流。保持G 端的柵電壓不變，隨著D端電壓的不斷增加，源漏間的電流將不斷升高。

二、不同場(chǎng)板長(zhǎng)度對(duì)柵下電場(chǎng)強(qiáng)度的影響

器件柵電極制作完成之后，結(jié)構(gòu)上柵極位置與其正下方的耗盡層相互垂直，外加?xùn)艠O電壓后，耗盡層中的柵極電場(chǎng)線同樣與耗盡層垂直，但注意到外加漏極電壓后，在柵電極靠近源漏偏壓的邊緣處，耗盡層邊界電場(chǎng)線將發(fā)生嚴(yán)重的彎曲，且曲率很大。造成的結(jié)果為電場(chǎng)線密集的向柵電極邊緣集中，相同的偏壓下，柵極邊緣處耗盡層的峰值電場(chǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于柵極正下方耗盡層的峰值電場(chǎng)，由于電場(chǎng)強(qiáng)度增大，柵極附近陷阱電荷增強(qiáng)，同時(shí)耗盡層內(nèi)電子能量增強(qiáng)，碰撞電離率升高，且電子有足夠的運(yùn)動(dòng)距離用于其加速，器件在源、漏間發(fā)生雪崩擊穿發(fā)生的概率將大大提高，損毀器件。但在FP 結(jié)構(gòu)中，雖然FP與柵電極相連，但并不直接與AlGaN 勢(shì)壘層相接觸，所以場(chǎng)板結(jié)構(gòu)的電勢(shì)與AlGaN耗盡層電勢(shì)并不相等，外加偏壓下，也將產(chǎn)生垂直表面的縱向電場(chǎng)，改變耗盡層內(nèi)的電場(chǎng)分布，從而分散峰值電場(chǎng)強(qiáng)度，提高器件的擊穿電壓。

在證明場(chǎng)板結(jié)構(gòu)對(duì)擊穿電壓影響的仿真實(shí)驗(yàn)中，我們需要以下步驟來完成，第一步，通過Silvaco 軟件編寫程序模出AlGaNGaN HEMT 器件的基本結(jié)構(gòu)并設(shè)定器件的模型參數(shù)，器件的柵長(zhǎng)為0.8um、源漏間距8.8um，柵漏間距4um，鈍化層厚度為60nm，第二步，在AlGaN/GaN HEMT器件的模型中調(diào)入業(yè)界已經(jīng)成熟應(yīng)用的程序模型，主要包括二維電子氣模型，遷移率模型、載流子生成-復(fù)合模型、碰撞電離模型，雪崩擊穿等模型等。最后，設(shè)計(jì)了SiN 場(chǎng)板長(zhǎng)度分別為0.2um 和1um 的兩種結(jié)構(gòu)。在鈍化層厚度為60nm 保持不變的情況下，柵下電場(chǎng)強(qiáng)度隨柵場(chǎng)板結(jié)構(gòu)與源電極距離變化所得曲線，其結(jié)果如下圖所示，在Vd 為100V 時(shí)，漏場(chǎng)板長(zhǎng)度為0.2um時(shí)的峰值電場(chǎng)為4.7×10-6V/cm，但漏場(chǎng)板長(zhǎng)度增加到1um 身后，電場(chǎng)峰值變?yōu)閮蓚€(gè)均勻的電場(chǎng)峰，強(qiáng)度分別為4.2×10-6V/cm和3.9×10-6V/cm，在根據(jù)橫坐標(biāo)的位置關(guān)系，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)漏場(chǎng)板長(zhǎng)度為1um 的兩個(gè)電場(chǎng)峰值電分別位于柵電極邊緣和漏場(chǎng)板的邊緣，當(dāng)漏場(chǎng)板從0.2um 增加到1um，即漏場(chǎng)板長(zhǎng)度與柵樓間距的比例由5%增加到25%的過程中，柵下電場(chǎng)強(qiáng)度峰值下降15%左右。

通過仿真模擬，我們可以得出SiN 場(chǎng)板結(jié)構(gòu)的引入的確能夠減小AlGaN/GaN HEMT 柵下峰值電場(chǎng)強(qiáng)度，一定長(zhǎng)度的漏場(chǎng)板結(jié)構(gòu)有助于分散器件的峰值電場(chǎng)，進(jìn)而提高器件的擊穿電壓。

三、結(jié)語

AlGaN/GaN HEMT 由于其優(yōu)良的材料特性，目前已經(jīng)得到越來越廣泛的關(guān)注和研究，通過本次仿真實(shí)驗(yàn)我們得出了器件柵下電場(chǎng)分布和場(chǎng)板長(zhǎng)度的關(guān)系，為實(shí)際的器件設(shè)計(jì)中關(guān)于提高器件擊穿電壓的研究奠定了一定基礎(chǔ)，具有一定的使用意義。