摘" 要: GaN基高電子遷移率晶體管(HEMT)作為寬禁帶功率半導(dǎo)體器件的代表,在電子電路的應(yīng)用方面有巨大的潛力。GaN HEMT因其高擊穿電壓、高電子遷移率等優(yōu)異性能,適用于各種高頻、高功率器件,并被廣泛應(yīng)用于雷達(dá)和航空航天等領(lǐng)域。文中利用Silvaco TCAD軟件,定義了AlGaN/GaN單異質(zhì)結(jié)和雙異質(zhì)結(jié)HEMT結(jié)構(gòu),并對其轉(zhuǎn)移特性、輸出特性、頻率特性和熱特性進(jìn)行了仿真研究。結(jié)果表明,AlGaN/GaN雙異質(zhì)結(jié)HEMT比單異質(zhì)結(jié)器件具有更好的性能。這主要得益于雙異質(zhì)結(jié)二維電子氣具有更好的限域性,并且載流子遷移率高的優(yōu)勢。
關(guān)鍵詞: AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié); HEMT; 二維電子氣; 轉(zhuǎn)移特性; 輸出特性; 頻率特性; 熱特性
中圖分類號(hào): TN386.3?34" " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A" " " " " " " " " " " "文章編號(hào): 1004?373X(2024)16?0023?05
Simulation research on electrical characteristic of AlGaN/GaN heterojunction HEMT
LI Yao, ZHANG Xuying, WANG Ailing, NIU Ruixia, WANG Fenqiang, LAN Jun,
ZHANG Pengjie, LIU Liangpeng, WU Huizhou
(School of Electronic and Information Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China)
Abstract: GaN?based high?electron?mobility transistor (HEMT), as the representative of wide?band?gap power semiconductor devices, has great potential for applications in electronic circuits. GaN HEMT is suitable for a variety of high?frequency and high?power devices due to its excellent properties such as high breakdown voltage and high electron mobility, and is widely used in radar, aerospace and other fields. AlGaN/GaN single?heterojunction and dual?heterojunction HEMT structures are defined by means of Silvaco TCAD software, and their transfer characteristics, output characteristics, frequency characteristics and thermal characteristics are simulated. The results show that AlGaN/GaN dual?heterojunction HEMT has better performance than single ?heterojunction device. This is mainly due to the advantages of better confinement and high carrier mobility of the dual?heterojunction 2?dimensional electron gas (2DEG).
Keywords: AlGaN/GaN heterojunction; HEMT; 2?dimensional electron gas; transfer characteristic; output characteristic; frequency characteristic; thermal characteristic
0" 引" 言
近年來,半導(dǎo)體器件和集成電路的快速發(fā)展推動(dòng)了信息產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。為了適應(yīng)日益增長的電力電子及移動(dòng)通信領(lǐng)域的應(yīng)用需求,對高頻、高功率器件提出了更高的要求。第一代半導(dǎo)體材料Si、Ge雖然具有技術(shù)成熟度高、制造成本相對低等優(yōu)點(diǎn),但因其速度和功率密度有限,不能滿足高速和大功率的應(yīng)用需求。第二代半導(dǎo)體材料GaAs、InP可用于高速、高頻、大功率器件,但其熱穩(wěn)定性差,已不能滿足電子技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用需求。目前,第三代半導(dǎo)體材料GaN頗受關(guān)注。GaN因其高功率、輕量化、高電子遷移率和大的禁帶寬度等優(yōu)勢,在各種高頻器件(如高頻二極管、晶體管)中得到廣泛應(yīng)用。GaN基器件廣泛應(yīng)用于射頻通信、雷達(dá)、汽車電子、無線通信、開關(guān)電源等領(lǐng)域[1]。
在一系列GaN器件中,GaN基高電子遷移率晶體管(HEMT)憑借其寬禁帶、高電子遷移率特性、高靈敏度、高耐壓等優(yōu)勢成為研究熱點(diǎn)。隨著半導(dǎo)體功率器件應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大,在一些特殊場景下(如航空航天、帶輻射設(shè)備等),要求半導(dǎo)體功率器件能夠在高溫、強(qiáng)輻射等惡劣環(huán)境下保持穩(wěn)定的性能。為了提高GaN HEMT的性能,研究人員引入了AlGaN材料,因?yàn)锳lGaN具有更寬的帶隙,所以可以提高器件的工作溫度范圍和電學(xué)性能。相較于GaN HEMT,AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)HEMT憑借更高的擊穿電壓、更強(qiáng)的限域性等優(yōu)勢,被廣泛應(yīng)用于高頻、中功率的應(yīng)用場合;同時(shí)它表現(xiàn)出了良好的電學(xué)性能和較大的射頻應(yīng)用潛力,也被廣泛用于下一代移動(dòng)通信和航空航天等領(lǐng)域,并在軍事通信、醫(yī)療診斷、能源管理和無線電頻譜探測等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景[2]。
本文利用Silvaco TCAD對AlGaN/GaN單異質(zhì)結(jié)和雙異質(zhì)結(jié)HEMT特性進(jìn)行仿真研究,包括轉(zhuǎn)移特性、輸出特性、熱特性和頻率特性。
1" 器件結(jié)構(gòu)與工作原理
圖1是橫向AlGaN/GaN單異質(zhì)結(jié)HEMT結(jié)構(gòu)示意圖。圖中,自下而上依次為襯底、GaN緩沖層和AlGaN勢壘層,源電極、柵電極、漏電極位于器件表面且柵電極處于源極、漏極之間,AlGaN/GaN界面存在因極化效應(yīng)而產(chǎn)生的高濃度二維電子氣(2?Dimensional Electron Gas, 2DEG)。
AlGaN/GaN HEMT是一種以二維電子氣作為導(dǎo)電溝道的器件。由于AlGaN的禁帶寬度大于GaN材料,電子會(huì)從AlGaN流向GaN,在GaN表面形成電子堆積層,電子在平行于界面的方向上可以自由運(yùn)動(dòng),在垂直于界面的方向上運(yùn)動(dòng)受限,且能量是量子化的,故稱為二維電子氣。二維電子氣密度可以用電荷控制模型來描述,表示為:
[ns=εNqd+Δd(Vg-Voff)]" " " " " (1)
式中:[εN]是AlGaN的介電常數(shù);q是電子電荷;d是摻雜了AlGaN層的厚度;[Δd]是修正因子;[Vg]為外加?xùn)艠O電壓;[Voff]是閾電壓,即二維電子氣被完全耗盡時(shí)的柵極電壓。
常規(guī)的HEMT為常開型器件,勢阱中的二維電子氣的密度受柵壓控制。通過改變柵壓,可以實(shí)現(xiàn)對器件工作狀態(tài)的控制。當(dāng)柵壓Vg=0時(shí),GaN表面堆積著二維電子氣,器件處于導(dǎo)通狀態(tài);當(dāng)Vglt;0時(shí),GaN表面的二維電子氣被耗盡,器件處于截止?fàn)顟B(tài)。因此,AlGaN/GaN HEMT具有開關(guān)功能。
圖2是AlGaN/GaN雙異質(zhì)結(jié)HEMT結(jié)構(gòu)示意圖。圖中溝道采用GaN,勢壘層與緩沖層均采用AlGaN,GaN與上面和下面的AlGaN形成雙異質(zhì)結(jié)。AlGaN/GaN/AlGaN異質(zhì)結(jié)HEMT有三個(gè)功能層、兩個(gè)異質(zhì)結(jié),這樣的結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了對量子阱內(nèi)二維電子氣的限制,使雙異質(zhì)結(jié)HEMT表現(xiàn)出更高的電子遷移率和更低的漏電流,在高頻應(yīng)用領(lǐng)域展現(xiàn)出更高的性能。
2" 仿真與討論
2.1" 器件結(jié)構(gòu)設(shè)置
用Silvaco軟件中的atlas仿真定義一個(gè)理想的HEMT器件。首先建立網(wǎng)格,然后在網(wǎng)格中對器件模型進(jìn)行搭建,定義源極和漏極為歐姆接觸,柵極為肖特基接觸,最后定義了復(fù)合模型、遷移率模型、極化和應(yīng)變模型等。定義仿真模型中GaN層的厚度為1.475 μm,AlGaN勢壘層的厚度為25 μm,且Al成分為30%,器件表面的電極中柵極的寬度為2 μm,厚度為0.5 μm,源極和漏極寬度均為0.5 μm,厚度為0.1 μm。
2.2" 器件轉(zhuǎn)移特性
轉(zhuǎn)移特性是場效應(yīng)晶體管的一種特性。當(dāng)漏源電壓Vds一定時(shí),器件的漏極電流Id隨柵源電壓Vgs變化的曲線反映了Vgs對Id的控制作用。此處AlGaN/GaN HEMT是常開型器件,所以當(dāng)Vg=0 V時(shí),器件可以導(dǎo)電。
恒流區(qū)漏極電流為:
[Id=IDSS1-VgsVgs(off)2]" " " " " "(2)
式中:[Vgs]是最大柵源電壓;[Vgs(off)]是閾值關(guān)閉電壓;[IDSS]為飽和漏極電流,是漏極產(chǎn)生預(yù)夾斷時(shí),漏極電流的飽和值。
圖3是AlGaN/GaN單異質(zhì)結(jié)和雙異質(zhì)結(jié)HEMT模擬仿真得到的轉(zhuǎn)移特性曲線。由圖可見,單異質(zhì)結(jié)HEMT的閾值電壓Vth大約是?6 V。當(dāng)柵壓大于?6 V時(shí),單異質(zhì)結(jié)HEMT漏極電流隨著柵壓的增大而迅速增大。雙異質(zhì)結(jié)HEMT的閾值電壓大約是?5 V,當(dāng)柵壓大于?5 V時(shí),其漏極電流迅速增加??梢?,當(dāng)柵壓大于閾值電壓時(shí),兩種HEMT的漏極電流均隨柵壓增大而增大,然后趨于飽和。對比兩種器件,單異質(zhì)結(jié)HEMT的閾值電壓小于雙異質(zhì)結(jié)HEMT。
AlGaN/GaN單異質(zhì)結(jié)HEMT的緩沖層和溝道層均為GaN,這會(huì)導(dǎo)致異質(zhì)結(jié)界面處量子阱勢壘高度較低。在高柵壓情況下,單異質(zhì)結(jié)HEMT溝道內(nèi)的載流子會(huì)溢出而進(jìn)入緩沖層,這將使二維電子氣的限域性變差,繼而對器件的關(guān)斷特性和擊穿特性造成不利影響;而雙異質(zhì)結(jié)HEMT因能帶結(jié)構(gòu)的差異,會(huì)形成一個(gè)背勢壘層,該勢壘能阻止溝道載流子的溢出,從而提高器件二維電子氣的限域性,但會(huì)導(dǎo)致寄生溝道的電子密度降低,因此不需要太大的負(fù)柵壓就可將器件關(guān)斷。由此可知,單異質(zhì)結(jié)HEMT的閾值電壓小于雙異質(zhì)結(jié)HEMT。
2.3" 器件輸出特性
HEMT輸出特性曲線包括截止區(qū)、線性區(qū)和飽和區(qū)三個(gè)區(qū)域。它描述的是當(dāng)柵源電壓Vgs一定時(shí),漏極電流Id隨漏源電壓Vds的變化曲線。圖4是AlGaN/GaN單異質(zhì)結(jié)和雙異質(zhì)結(jié)HEMT在Vgs為?6 V、?5 V、?4 V、?3 V、?2 V、?1 V、0 V時(shí)的輸出特性曲線,圖中實(shí)線部分是單異質(zhì)結(jié)HEMT輸出曲線,虛線部分為雙異質(zhì)結(jié)HEMT輸出曲線,源漏電壓Vds掃描范圍為0~15 V。當(dāng)Vgs=0 V,單異質(zhì)結(jié)HEMT的飽和漏極電流約為0.18 A/mm,雙異質(zhì)結(jié)HEMT的飽和漏極電流約為0.14 A/mm;當(dāng)Vgs=?2 V,單異質(zhì)結(jié)HEMT的飽和漏極電流約為0.1 A/mm,雙異質(zhì)結(jié)HEMT的飽和漏極電流為0.07 A/mm。仿真得到的雙異質(zhì)結(jié)HEMT的飽和漏極電流明顯低于單異質(zhì)結(jié)HEMT,原因是,設(shè)定的AlGaN背勢壘層的厚度較大,改變了材料中的電荷分布,這會(huì)對GaN的壓電極化方向產(chǎn)生影響,并且其自發(fā)極化會(huì)使得二維電子氣濃度降低,導(dǎo)致雙異質(zhì)結(jié)HEMT的飽和漏極電流較小。
2.4" 器件熱特性
自熱效應(yīng)指的是當(dāng)晶體管或其他器件通過導(dǎo)體通電時(shí),會(huì)因?yàn)閷?dǎo)體的電阻產(chǎn)生熱量,從而導(dǎo)致器件溫度升高的現(xiàn)象。由于AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)HEMT的材料具有較高的熱導(dǎo)性和較低熱容量的特性,器件溫度升高的速度較快,當(dāng)溫度升高到一定程度時(shí),會(huì)對器件的性能和穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。
因此,在器件的設(shè)計(jì)和工作過程中需要考慮自熱效應(yīng)帶來的影響。對考慮自加熱和不考慮自加熱效應(yīng)時(shí)器件的輸出特性進(jìn)行仿真,器件的工作溫度為300 K,柵壓分別為?6 V、?5 V、?4 V、?3 V、?2 V、?1 V、0 V,源漏電壓Vds從0~15 V變化。圖5為考慮和不考慮自加熱效應(yīng)時(shí)兩種器件的輸出特性曲線,圖a)和圖b)分別對應(yīng)AlGaN/GaN單異質(zhì)結(jié)HEMT和AlGaN/GaN雙異質(zhì)結(jié)HEMT。圖中實(shí)線部分均為不考慮自熱效應(yīng),虛線部分均為考慮自熱效應(yīng)。
通過圖5可以看出,在Vds=15 V時(shí),圖b)的曲線中實(shí)線和虛線整體要比圖a)更為接近,即雙異質(zhì)結(jié)HEMT考慮自加熱效應(yīng)時(shí)的曲線與不考慮自熱效應(yīng)時(shí)的曲線數(shù)值差比單異質(zhì)結(jié)小。因此,考慮自熱效應(yīng)時(shí)雙異質(zhì)結(jié)HEMT的影響小于單異質(zhì)結(jié)。圖中考慮自加熱效應(yīng)時(shí)飽和漏極電流明顯下降,且隨著晶格溫度升高,器件性能進(jìn)一步退化。因?yàn)榭紤]自加熱效應(yīng)時(shí),器件的溝道溫度隨著漏源電壓Vds的增大而升高,溝道載流子遷移率會(huì)降低,器件性能退化。
2.5" 器件頻率特性
截止頻率能夠反映器件的響應(yīng)速度與最高工作頻率。截止頻率越大,表示器件的增益越大,對信號(hào)的傳輸能力也就越強(qiáng),器件的響應(yīng)速度越快,性能更好。
電容?電壓特性是用來測量交流信號(hào)頻率的函數(shù)。能使反型層電荷密度改變的電子來自兩處:一是通過空間電荷區(qū)的p型襯底中的少子電子的擴(kuò)散;二是在空間電荷區(qū)中由熱運(yùn)動(dòng)形成的電子?空穴對。當(dāng)交流電壓變化很快時(shí),反型層中的電子濃度不會(huì)響應(yīng),因此柵極電容Cg可以用C?V法測量。電容?電壓(C?V)特性可以描述器件的頻率性能。C?V特性曲線表示柵極電容Cg隨著柵源電壓Vgs變化和頻率f之間的關(guān)系,使用C?V特性曲線可以提取器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)、載流子濃度和半導(dǎo)體摻雜等信息。
AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)HEMT在高頻應(yīng)用中具有很好的性能。令A(yù)lGaN/GaN異質(zhì)結(jié)HEMT在截止頻率時(shí)的電流增益等于1,在理想情況下,截止頻率的表達(dá)式為:
[fT=μnVgs-VT2πL2=gm2πCg]" " " "(3)
式中:[μn]為電子遷移率(單位為cm2/(V·s));Vgs是柵源電壓;VT是閾值電壓;gm為跨導(dǎo);[Cg]為等效輸入柵極電容。
由式(3)可以看出器件頻率與跨導(dǎo)、電容之間的關(guān)系,要想提高器件截止頻率,可以通過提高跨導(dǎo)或降低HEMT柵極電容來實(shí)現(xiàn)。
AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)HEMT跨導(dǎo)公式如下:
[gm=(Vgs-VT)WμnCoxL]" " " " "(4)
式中:Vgs是柵源電壓;VT是閾值電壓;Cox為介質(zhì)層的電容;[Wμn]為柵寬;L為AlGaN層厚度。
令Vds=1 V保持不變且f=1 MHz時(shí),AlGaN/GaN單異質(zhì)結(jié)和雙異質(zhì)結(jié)HEMT的柵極電容與柵源電壓之間的關(guān)系曲線如圖6所示。
由圖6可以看出,雙異質(zhì)結(jié)HEMT的C?V曲線低于單異質(zhì)結(jié)HEMT,給定柵源電壓,雙異質(zhì)結(jié)的柵極電容小于單異質(zhì)結(jié)的柵極電容。結(jié)合式(3),柵極電容Cg越小,截止頻率fT值越大。因此,AlGaN/GaN雙異質(zhì)結(jié)的截止頻率高于單異質(zhì)結(jié)HEMT,雙異質(zhì)結(jié)HEMT的響應(yīng)速度更快。
3" 結(jié)" 論
本文設(shè)計(jì)了AlGaN/GaN單異質(zhì)結(jié)和雙異質(zhì)結(jié)HEMT,利用Silvaco TCAD仿真軟件對兩種器件的轉(zhuǎn)移特性、輸出特性、熱學(xué)特性和頻率特性進(jìn)行了模擬仿真。結(jié)果表明,AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)HEMT器件具有良好的直流特性,且AlGaN/GaN雙異質(zhì)結(jié)HEMT的截止頻率高于單異質(zhì)結(jié)HEMT,響應(yīng)速度更快。良好的頻率特性證明AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)HEMT器件可以更好地應(yīng)用在微波功率領(lǐng)域,這對研究高頻大功率器件具有十分重要的意義。
注:本文通訊作者為李堯。
參考文獻(xiàn)
[1] 李杰,王友旺.第三代半導(dǎo)體及氮化鎵(GaN)材料分析[J].集成電路應(yīng)用,2023,40(10):326?328.
[2] MUHAIMIN H, SHAILI F, ABD A M, et al. Challenges and opportunities for high?power and high?frequency AlGaN/GaN high?electron?mobility transistor (HEMT) applications a review [J]. Micromachines, 2022, 13(12): 2133.
[3] 劉雨,宋增才,張東.GaN基HEMT器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其性能仿真[J].半導(dǎo)體光電,2022,43(2):337?340.
[4] SABRINA A, SHARMIN F J, CHRISTOPHE G, et al. Estimation of electrostatic, analogue, Linearity/RF figures?of?merit for GaN/SiC HEMT [J]. Micro and nanostructures, 2024, 186: 207738?207750.
[5] NADIM A, GOURAB D. Extraction of device parameters from capacitance?voltage characteristics of p?GaN/AlGaN/GaN HEMT [J]. Microelectronics journal, 2024, 143: 106047?106055.
[6] SHEN Jingyu, JIN Liang, QIU Jinpeng. Investigation of dynamic ronstability and hot electrons reliability in normally?off AlGaN/GaN power HEMTs [J]. Microelectronics journal, 2023(2): 142?147.
[7] 房瑞庭,陳帥,張雄,等.非極性a面n?AlGaN外延層的生長與表征[J].半導(dǎo)體光電,2022,43(3):461?465.
[8] XIE X T, ZHANG C, ZHAO Z J, et al. Novel double channel reverse conducting GaN HEMT with an integrated MOS?channel diode [J]. Chinese physics B, 2023, 32(9): 119?124.
[9] 周敏,馮全源,文彥,等.一種P?GaN柵結(jié)合混合帽層結(jié)構(gòu)的HEMT器件[J].微電子學(xué),2023,53(4):723?729.
[10] ZHANG H C, SUN Y, HU K P, et al. Boosted high?temperature electrical characteristics of AlGaN/GaN HEMTs with rationally designed compositionally graded AlGaN back barriers [J]. Science China (information sciences), 2023, 66 (8): 254?262.
[11] 李亞欽,劉建平,田愛琴,等.GaN基近紫外激光器研究現(xiàn)狀與進(jìn)展[J].半導(dǎo)體光電,2022,43(3):451?460.
[12] 佚名.GaN HEMT器件主要性能指標(biāo)有哪些?寬禁帶器件測試方案[J].世界電子元器件,2023(7):27?29.
[13] 朱彥旭,宋瀟萌,李建偉,等.P?GaN柵結(jié)構(gòu)GaN基HEMT器件研究進(jìn)展[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2023,49(8):926?936.
[14] 陳飛,馮全源,楊紅錦,等.柵下雙異質(zhì)結(jié)增強(qiáng)型AlGaN/GaN HEMT[J].微電子學(xué),2022,52(1):132?138.
[15] 陳金龍,閻大偉,王雪敏,等.AlGaN/GaN HEMT氫氣傳感器不同溫度下響應(yīng)特性的研究[J].真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào),2020,40(1):12?16.
[16] 康玄武,鄭英奎,王鑫華,等.AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)肖特基二極管研究進(jìn)展[J].電源學(xué)報(bào),2019,17(3):44?52.
[17] SRIRAMANI P, MOHANKUMAR N, PRASAMSHA Y. Drain current sensitivity analysis using a surface potential?based analytical model for AlGaN/GaN double gate MOS?HEMT [J]. Micro and nanostructures, 2024, 185: 207720.
[18] HU Lefeng, ZHANG Yan. Performance and mechanism analy?sis of thin absorption region AlGaN Schottky Solar?blind detector with different metal contact [J]. Semiconductor optoelectronics, 2022, 43(3): 510?516.
[19] 王進(jìn)軍,劉宇,徐晨昱,等.Al組分對AlxGa1?xN/GaN高電子遷移率晶體管性能的調(diào)控研究[J].山西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2024,47(2):369?374.