新型结构的HEMT优化设计

刘 剑，程知群，胡 莎，周伟坚

(杭州电子科技大学射频电路与系统教育部重点实验室，浙江杭州310018)

0 引言

以GaN材料为衬底的AlGaN/GaN异质结高速电子迁移率晶体管(High Electron Mobility Transistor，HEMT)由于存在自发极化和压电极化，可以在异质结表面产生高浓度的二维电子气(2DEG)，并且具有良好的高频特性和噪声性能以及耐高压高温性等优势，使其成为微波射频领域最有潜力的功率器件之一［1，2］。国际上对于GaN基HEMT的研究成果已经相当丰富，本文对已提出的一种新型复合沟道AlxGa1－xN/AlyGa1－yN/GaN HEMT以及之后进行改进后形成的新器件结构 AlxGa1－xN/AlN/AlyGa1－yN/GaN HEMT 进行了深入的研究［1，3，4］，提出了一种新型结构 AlxGa1－xN/AlN/GaN/InyGa1－yN/GaN HEMT，并探讨了InyGa1－yN层中In含量对于器件性能的影响，最后通过TCAD对器件进行仿真获得了较好的线性度以及跨导等性能。

1 器件结构与分析

本文通过自洽求解Poisson方程以及TCAD程序仿真得到主沟道内电子浓度随着势垒层或者复合沟道层的增加而增加并在其达到一定厚度后趋于饱和，主沟道内电子浓度随势垒层中Al含量的上升而上升，而AlN隔离层的加入在提高主沟道载流子的浓度的同时改善了栅端的泄漏特性，一方面AlN的加入在一定程度上降低了器件的跨导［5，6］，另一方面 InGaN的禁带宽度仅为0.8eV左右，远小于GaN［7］，而由于InGaN为InN和GaN的线性组合，这使得InGaN的禁带宽度比GaN小了很多，加上In-GaN和GaN间的晶格不匹配度较高，会产生很强的压电极化效应，从而在GaN/InGaN/GaN产生了次沟道，并能更好的限制2DEG沟道内的载流子以及有效减小缓冲层漏电流，另外为了能产生足够高的势垒同时降低工艺上生长厚InGaN的压力［8］，将InGaN层的厚度选择为3nm。综合上述考虑我们提出了新型的HEMT结构及能带图，如图1所示，该剖面图1(a)自上而下依次为:21nm为掺杂Al0.3Ga0.7N势垒层，2nm AlN隔离层，8nm GaN复合沟道层，3nm InyGa1－yN层以及2.5um的GaN缓冲层和蓝宝石衬底［1，3，4，9］。如图1(b)所示，从该能带图中可见，由于有次沟道的存在，当栅极加电压时，次沟道对主沟道有屏蔽作用，从而使主沟道内电子散射变小，在一定程度上提高了器件的线性度［9］。本文提出的新型结构是在课题组之前的HEMT结构中加入了InyGa1－yN层，所以之后将重点研究分析此层对于器件性能的影响。

图1 HMET剖面及能带图

主次沟道内载流子浓度随In含量的变化曲线，如图2所示，从图2中可以看出随着In含量的升高，主沟道内的电子浓度基本保持不变而次沟道内的电子浓度则随之线性上升，当In含量在10%左右时，新结构的HEMT次沟道内电子浓度上升到了HEMT的次沟道电子浓度仅1.0×1019/cm3左右［4］，这是因为InyGa1－yN的压电极化随着In含量的升高而上升，且InyGa1－yN/GaN一侧相应的势垒也随In组分的增加而增加，从而更好地限制了沟道内的2DEG，使得沟道内的电子浓度随之上升。

主次沟道内电子迁移率随In含量的变化情况，如图3所示。主沟道内的电子迁移率几乎不随In的改变而发生变化，基本保持在1 460cm2/Vs左右。而随着In含量的升高次沟道内电子迁移率不断下降。这主要是因为在生长In的过程中容易起球，令沟道不均匀，加之InyGa1－yN层存在的位错，从而增大了合金散射，In的含量越大这种散射就越严重，引起沟道内电子迁移率的下降［10］。因此在确定In的百分含量时需综合考虑其对次沟道内电子浓度及电子迁移率的影响。

图2 主次沟道内电子浓度随In含量的变化曲线

图3 主次沟道内电子迁移率随In含量的变化曲线

为了进一步确定不同In含量对器件性能的影响，在In组分为5%，10%和15%时，利用TCAD对器件进行了直流仿真，获得的Id-Vg特性曲线，如图4所示，相对应的跨导，如图5所示。从图4中易得In含量的不同对阈值电压的影响不大，但随着栅压的上升，最大漏电流则随In含量的上升而降低，这一结果源于次沟道内电子迁移率随In组分升高而降低，10%相比于5%的最大电流减小量明显小于15%相对于10%的减小量;图5中可以看到，10%的In组分相比于5%线性度稍有改善，但是最大跨导稍有下降，而15%的In组分相比于10%线性度已经出现较明显的恶化，且跨导的下降也比较大。

图4 不同In含量下Id-Vg曲线

图5 不同In含量下相应的跨导曲线

2 器件仿真结果

综合考虑器件沟道内电子浓度、线性度、最大跨导以及最大漏极电流等多方面性能要求，最终将In的含量定位10%，并设计了栅长为0.25μm栅宽100μm Al0.3Ga0.7N/AlN/GaN/In0.1Ga0.9N/GaN HEMT，栅源距离0.75μm，栅漏距离1μm。利用TCAD对该器件仿真，直流输出特性曲线如图6所示，漏压为7V时的转移特性曲线如图7所示，则该器件阈值电压－5.3V，栅压在－7V到1V间最大漏极电流为2 220mA/mm，能获得的最大跨导为440mSmm。文献4中设计的Al0.3Ga0.7N/Al0.05Ga0.95N/GaN HEMT最大漏极电流密度和最大跨导分别为1 300mA/mm与300mS/mm，文献8设计的AlGaN/GaN/InGaN/GaN HEMT的最大漏极电流密度和最大跨导分别为1 100mA/mm与210mS/mm。与文献4和8的结果相比，本文提出的新型Al0.3Ga0.7N/AlN/GaN/In0.1Ga0.9N/GaN HEMT在最大漏极电流密度和最大跨导都有了明显提高。而且在－3.5～－0.5V范围内HEMT跨导变化量很小，说明新结构有良好的线性度。

图6 器件输出特性曲线

图7 器件转移特性曲线

3 结束语

本文尝试提出了新型的AlxGa1－xN/AlN/GaN/InyGa1－yN/GaN HEMT结构，并着重研究了InyGa1－yN插入层中In含量对器件性能的影响，相比于本课题组之前提出的双沟道HEMT结构，该结构在保持良好线性度的同时最大漏极电流以及最大跨导等性能方面都有一定提高，对于GaN基HEMT线性功率器件的后续研究具有一定得参考价值。

［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，Fagerlind 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.

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