InAlN/GaN/BGaN HEMT 的高溫直流特性研究

耿立新 ,趙紅東 ,任星霖 ,韓鐵成 ,劉 赫

(1.河北工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,天津 300401;2.天津金沃能源科技股份有限公司,天津 300382)

晶格匹配的InAlN/GaN 異質(zhì)結(jié)作為GaN 基高電子遷移率晶體管(HEMT) 器件的主要結(jié)構(gòu),因具有較強(qiáng)的自發(fā)極化效應(yīng),在高溫、高頻、高功率等領(lǐng)域得到廣泛關(guān)注[1-6]。特別是在高溫條件下,由于外部環(huán)境溫度的升高以及器件本身的自熱效應(yīng),傳統(tǒng)的InAlN/GaN HEMT 器件仍然存在閾值電壓漂移、飽和輸出電流降低、器件關(guān)斷困難等問題,這嚴(yán)重影響了器件的性能。因此,尋找提高InAlN/GaN HEMT 器件熱穩(wěn)定性的方法具有重要意義。

纖鋅礦結(jié)構(gòu)的BGaN 材料具有較小的晶格常數(shù)[7-9],因壓電極化效應(yīng)在GaN/BGaN 異質(zhì)結(jié)界面產(chǎn)生大量負(fù)極化電荷,可充當(dāng)背勢(shì)壘結(jié)構(gòu),從而阻止溝道電子溢出至緩沖層,提高器件的關(guān)斷速度,抑制短溝道效應(yīng)[10-11]。與此同時(shí),BGaN 材料作為背勢(shì)壘結(jié)構(gòu)有利于傳統(tǒng)的AlGaN/GaN HEMT 器件在高溫條件下的應(yīng)用[12]。但目前關(guān)于BGaN 材料對(duì)InAlN/GaN HEMT 器件的高溫性能影響未見相關(guān)報(bào)道。因此,本文應(yīng)用ATLAS 二維仿真軟件設(shè)計(jì)了InAlN/GaN/BGaN 異質(zhì)結(jié)HEMT 器件,并首次研究了該器件在高溫條件下的直流性能。為了更好地說明該器件的優(yōu)勢(shì),同時(shí)模擬了傳統(tǒng)的InAlN/GaN HEMT 器件作為對(duì)比[13]。

1 器件結(jié)構(gòu)及仿真介紹

兩器件橫截面結(jié)構(gòu)如圖1 所示。圖1 (a) 表示傳統(tǒng)的InAlN/GaN HEMT 器件,圖1(b) 為帶有BGaN緩沖層結(jié)構(gòu)的InAlN/GaN/BGaN HEMT 器件。其中,InAlN/GaN HEMT 器件包含2 μm 半絕緣GaN 緩沖層、1 nm AlN 插入層、8 nm In0.17Al0.83N 勢(shì)壘層以及130 nm SiN 鈍化層。將InAlN/GaN HEMT 中的GaN 緩沖層替換為1 μm B0.015Ga0.985N 緩沖層和30 nm GaN 溝道層即得到InAlN/GaN/BGaN HEMT 器件,兩器件均采用SiC 材料作襯底。柵長(zhǎng)為70 nm 且位于源漏兩電極中間的T 型柵極采用肖特基接觸,源極和漏極定義為歐姆接觸。

文獻(xiàn)[14-15]介紹了傳統(tǒng)的InAlN/GaN HEMT 器件的校準(zhǔn)過程,保證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。為進(jìn)一步討論該器件在高溫條件下的直流特性,在原校準(zhǔn)結(jié)果的基礎(chǔ)上加入了晶格加熱以及熱產(chǎn)生模型。由于考慮了自加熱效應(yīng),所報(bào)道的器件性能相對(duì)于原校準(zhǔn)器件有所退化。圖2 顯示了漏極電壓(VDS) 為7 V 時(shí),傳統(tǒng)的InAlN/GaN HEMT 器件在不考慮自熱效應(yīng)與考慮自熱效應(yīng)兩種情況下對(duì)應(yīng)的漏極電流(IDS) 以及跨導(dǎo)(Gm) 隨柵極電壓(VGS) 的變化關(guān)系?？紤]自熱效應(yīng)后,器件的峰值跨導(dǎo)與最大漏極電流分別降低約14.3%和15.7%,這主要是由于晶格加熱導(dǎo)致電子遷移率下降所引起[16]。在此基礎(chǔ)上,模擬分析了圖1 所示兩器件溫度由室溫(300 K) 上升至500 K 時(shí)的轉(zhuǎn)移特性與輸出特性,其中溫度間隔為50 K。

圖1 (a) InAlN/GaN HEMT 與(b) InAlN/GaN/BGaN HEMT 器件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Device structure diagrams of (a) InAlN/GaN HEMT and (b) InAlN/GaN/BGaN HEMT

圖2 InAlN/GaN HEMT 器件在不考慮自熱效應(yīng)與考慮自熱效應(yīng)時(shí)對(duì)應(yīng)的漏極電流以及跨導(dǎo)隨柵極電壓的變化關(guān)系Fig.2 The relationship of drain current and transconductance with gate voltage in InAlN/GaN HEMT device without self-heating and with self-heating

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度變化對(duì)器件轉(zhuǎn)移特性的影響

圖3 顯示了兩器件在漏極電壓為7 V 時(shí),溫度由室溫上升至500 K 所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)移特性曲線。由圖可以看出,隨著溫度升高,兩器件的漏極電流因電子遷移率下降而明顯降低。除此之外,InAlN/GaN/BGaN HEMT 器件的漏極電流要低于傳統(tǒng)的InAlN/GaN HEMT 器件,這主要是由于InAlN/GaN/BGaN HEMT 器件的二維電子氣(2DEG) 濃度較低所引起[11]。

圖3 (a) InAlN/GaN HEMT 與(b) InAlN/GaN/BGaN HEMT 器件在不同溫度下的轉(zhuǎn)移特性Fig.3 The transfer characteristics of (a) InAlN/GaN HEMT and (b) InAlN/GaN/BGaN HEMT at different temperatures

根據(jù)轉(zhuǎn)移特性曲線,提取得到兩器件在不同溫度下的閾值電壓(VTH),如圖4 所示?？梢钥闯?隨著溫度的升高,InAlN/GaN/BGaN HEMT 器件的閾值電壓始終保持在-3.2 V 左右,而InAlN/GaN HEMT 器件的閾值電壓變化幅度則相對(duì)較大,這主要是由于溫度升高導(dǎo)致器件的電子濃度降低且限域性變差所引起。

圖4 兩器件的閾值電壓隨溫度的變化關(guān)系Fig.4 The relationship between the threshold voltage and temperature of two devices

圖5 進(jìn)一步計(jì)算了兩器件的跨導(dǎo)隨溫度的變化關(guān)系。隨著溫度升高,器件的電子遷移率變差,導(dǎo)致柵極對(duì)溝道的控制能力減弱,跨導(dǎo)減小。對(duì)于InAlN/GaN/BGaN HEMT 器件而言,即使在高溫條件下,關(guān)斷區(qū)域的跨導(dǎo)仍然保持陡峭的變化率,具有較高的開關(guān)速度,這主要由于引入BGaN 緩沖層后,器件在高溫條件下仍然保持良好的電子限域性,器件的開啟或關(guān)閉更容易。從圖中還可以看出,傳統(tǒng)的InAlN/GaN HEMT 器件在高溫條件下的關(guān)斷速度退化更嚴(yán)重。

圖5 (a) InAlN/GaN HEMT 與(b) InAlN/GaN/BGaN HEMT 器件在不同溫度下的跨導(dǎo)特性曲線Fig.5 The transconductance characteristics of(a) InAlN/GaN HEMT and (b) InAlN/GaN/BGaN HEMT at different temperatures

圖6 反映了兩器件的峰值跨導(dǎo)隨溫度的變化關(guān)系。引入BGaN 緩沖層后,InAlN/GaN/BGaN HEMT 器件的2DEG 濃度降低,通道電阻增大,導(dǎo)致跨導(dǎo)低于傳統(tǒng)的InAlN/GaN HEMT 器件。溫度由室溫上升至500 K 時(shí),兩器件的峰值跨導(dǎo)均降低約56%,但兩者的峰值跨導(dǎo)之差由23 mS/mm 減小至8 mS/mm,峰值跨導(dǎo)差距隨溫度升高逐漸縮小。

圖6 兩器件的峰值跨導(dǎo)隨溫度的變化關(guān)系Fig.6 The relationship between the peak transconductance and temperature of two devices

與此同時(shí),計(jì)算了漏電壓為7 V 時(shí),兩器件在不同溫度下的亞閾值擺幅(SS),如圖7 所示。一般來說,亞閾值擺幅數(shù)值越大,短溝道效應(yīng)越明顯。由圖可知,兩器件的亞閾值擺幅數(shù)值均與溫度呈正相關(guān),這表明器件的短溝道效應(yīng)隨溫度的升高變得越來越明顯。計(jì)算得出,溫度由室溫上升至500 K 時(shí),InAlN/GaN HEMT 器件的亞閾值擺幅由860 mV/dec 上升至1990 mV/dec,增加約131.4%;而InAlN/GaN/BGaN HEMT 器件的亞閾值擺幅由192 mV/dec 上升至366 mV/dec,增加約90.6%,并且始終明顯低于傳統(tǒng)的InAlN/GaN HEMT 器件。這表明,無論在室溫還是高溫條件下,BGaN 緩沖層的引入均有效抑制了短溝道效應(yīng),同時(shí)減弱了器件的高溫退化程度。這主要是由于引入BGaN 緩沖層后,器件在室溫以及高溫下均保持良好的電子限域性以及較強(qiáng)的柵控能力。

圖7 兩器件的亞閾值擺幅隨溫度的變化關(guān)系Fig.7 The relationship between the subthreshold swing and temperature of two devices

2.2 溫度變化對(duì)器件輸出特性的影響

圖8 展示了柵極電壓固定為1 V 時(shí),兩器件在不同溫度下的輸出特性曲線。由圖可得,兩器件的膝點(diǎn)電壓均隨溫度的升高呈向右移動(dòng)的趨勢(shì),但I(xiàn)nAlN/GaN/BGaN HEMT 器件的飽和漏電流(IDSsat) 相對(duì)平穩(wěn),沒有出現(xiàn)明顯的負(fù)阻現(xiàn)象。圖9 進(jìn)一步對(duì)比了漏極電壓為10 V 時(shí),兩器件在不同溫度下的飽和漏電流。由圖可以看出,由于2DEG 濃度較低,InAlN/GaN/BGaN HEMT 器件的飽和漏電流始終低于傳統(tǒng)的InAlN/GaN HEMT 器件。但隨著溫度的升高,兩器件的飽和漏電流之差由室溫下的0.42 A/mm 下降至500 K 時(shí)的0.18 A/mm,這與峰值跨導(dǎo)性能類似。

圖8 VGS=1 V 時(shí),(a) InAlN/GaN HEMT 與(b)InAlN/GaN/BGaN HEMT 器件在不同溫度下的輸出特性曲線Fig.8 The output characteristics of (a) InAlN/GaN HEMT and (b) InAlN/GaN/BGaN HEMT at different temperatures with VGS=1 V

圖9 VDS=10 V 且VGS=1 V 時(shí),兩器件在不同溫度下的飽和漏電流Fig.9 The saturation drain current of two devices at different temperatures with VDS=10 V and VGS=1 V

為進(jìn)一步分析兩器件的關(guān)態(tài)熱穩(wěn)定性,測(cè)得漏電壓為15 V 且柵電壓為-12 V 時(shí)的關(guān)態(tài)漏電流(Ioff),并計(jì)算得到相應(yīng)的關(guān)斷耗散功率(PD)[17],結(jié)果如圖10 所示。對(duì)于InAlN/GaN HEMT 器件而言,溫度由室溫上升至500 K 時(shí),關(guān)態(tài)漏電流提升約3 個(gè)數(shù)量級(jí),500 K 時(shí)達(dá)到2.38 mA/mm;而InAlN/GaN/BGaN HEMT 器件僅提高約1 個(gè)數(shù)量級(jí),500 K 時(shí)的關(guān)態(tài)漏電流為3 μA/mm。由于關(guān)態(tài)漏電流較小,高溫下InAlN/GaN/BGaN HEMT 器件的關(guān)斷耗散功率明顯較低,溫度達(dá)到500 K 時(shí)為45 μW/mm,而InAlN/GaN HEMT 器件則達(dá)到36 mW/mm,關(guān)斷耗散功率明顯升高。這主要是由于溫度升高,導(dǎo)致大量電子溢出至緩沖層,引起嚴(yán)重漏電。

圖10 VDS=15 V 且VGS=-12 V 時(shí),兩器件在不同溫度下的關(guān)態(tài)漏電流與關(guān)斷耗散功率Fig.10 The off-state drain current and dissipation power of two devices at different temperatures with VDS=15 V and VGS=-12 V

3 結(jié)論

通過與傳統(tǒng)的InAlN/GaN HEMT 器件的高溫直流特性作對(duì)比,理論上證明了InAlN/GaN/BGaN HEMT器件在高溫條件下的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。結(jié)果表明,InAlN/GaN/BGaN HEMT 器件明顯改善了不同溫度下的閾值電壓漂移、器件關(guān)斷困難、柵控能力較差等短溝道效應(yīng)現(xiàn)象。同時(shí),隨著溫度的升高,所研究器件的峰值跨導(dǎo)和飽和漏電流與傳統(tǒng)器件的差距逐漸減小。此外,引入BGaN 緩沖層后,器件的關(guān)態(tài)熱穩(wěn)定性進(jìn)一步提高,具體表現(xiàn)在關(guān)態(tài)漏電流和關(guān)斷耗散功率均明顯低于傳統(tǒng)的InAlN/GaN HEMT 器件。這對(duì)晶格匹配的InAlN/GaN HEMT 器件在高溫條件下的應(yīng)用具有一定的參考意義。