具有部分本征GaN帽层新型A lGaN/GaN高电子迁移率晶体管特性分析∗

2017-09-07郭海君段宝兴袁嵩谢慎隆杨银堂

物理学报 2017年16期

关键词：本征电场器件

郭海君段宝兴袁嵩谢慎隆杨银堂

(西安电子科技大学微电子学院,宽禁带半导体材料与器件教育部重点实验室,西安 710071)

具有部分本征GaN帽层新型A lGaN/GaN高电子迁移率晶体管特性分析∗

郭海君段宝兴†袁嵩谢慎隆杨银堂

(西安电子科技大学微电子学院,宽禁带半导体材料与器件教育部重点实验室,西安 710071)

(2017年4月11日收到;2017年6月5日收到修改稿)

为了优化传统A lGaN/GaN高电子迁移率晶体管(high electron mobility transistors,HEMTs)器件的表面电场,提高击穿电压,本文提出了一种具有部分本征GaN帽层的新型A lGaN/GaN HEMTs器件结构.新型结构通过在A lGaN势垒层顶部、栅电极到漏电极的漂移区之间引入部分本征GaN帽层,由于本征GaN帽层和A lGaN势垒层界面处的极化效应,降低了沟道二维电子气(two dimensional electron gas,2DEG)的浓度,形成了栅边缘低浓度2DEG区域,使得沟道2DEG浓度分区,由均匀分布变为阶梯分布.通过调制沟道2DEG的浓度分布,从而调制了A lGaN/GaN HEMTs器件的表面电场.利用电场调制效应,产生了新的电场峰,且有效降低了栅边缘的高峰电场,A lGaN/GaN HEMTs器件的表面电场分布更加均匀.利用ISE-TCAD软件仿真分析得出:通过设计一定厚度和长度的本征GaN帽层,A lGaN/GaN HEMTs器件的击穿电压从传统结构的427 V提高到新型结构的960 V.由于沟道2DEG浓度减小,沟道电阻增加,使得新型A lGaN/GaN HEMTs器件的最大输出电流减小了9.2%,截止频率几乎保持不变,而最大振荡频率提高了12%.

高电子迁移率晶体管,电场调制,二维电子气,击穿电压

1 引言

以氮化镓(GaN)为代表的宽禁带半导体材料是继以硅(Si)为代表的第一代元素半导体材料和以砷化镓(GaAs)为代表的第二代化合物半导体材料之后,在近年来迅速发展起来的第三代半导体材料,具有宽禁带、高击穿场强、高饱和电子速度、高热导率、良好的化学稳定性、强抗辐照能力等优越的特性,在高功率、高频、高温、抗辐照的电子器件中有着广泛的应用[1].由于强烈的自发极化和压电极化效应[2,3],在A lGaN/GaN异质结的界面处产生高浓度(＞1×1013cm−2)和高迁移率(1000—2000 cm2/V.s)的二维电子气(two diMensional electron gas,2DEG),非常适用于微波高功率应用.目前,随着材料质量、外延层设计和制造工艺技术的提高,A lGaN/GaN高电子迁移率晶体管(high electron mobility transistors,HEMTs)器件的功率性能在不断改善[4].为了实现高功率应用,击穿电压的提高是一种直接的手段.研究者提出了许多措施来增加击穿电压,如场板技术[5−8]、降低表面电场(RESURF)技术[9]、具有A lGaN沟道的HEMTs新结构[10]、轻掺杂漏HEMTs新结构[11]、GaN缓冲层掺杂[12−14]、A lGaN/GaN/A lGaN双异质结HEMTs等[15].

通常而言,A lGaN/GaN HEMTs器件在反向工作时,在栅电极靠近漏电极边缘处存在高峰电场.降低栅边缘的高峰电场,从而优化表面电场是提高A lGaN/GaN HEMTs器件击穿电压的一种重要技术.为了降低栅边缘的高峰电场,Si基功率器件利用了RESURF技术[16],为了进一步降低体内的高电场,研究者提出了体电场降低技术[17].但是,A lGaN/GaN HEMTs器件不同于传统Si基功率器件的特殊耐压机理,使得设计优化高击穿电压的Si技术不能直接移植[18−21].

文献[22]报道了在A lGaN势垒层顶部生长一层本征GaN帽层时,由于GaN帽层和A lGaN势垒层界面处的极化效应,感应出负极化电荷,使得沟道2DEG的浓度降低.并且随着本征GaN帽层厚度的增加,沟道2DEG的浓度减小并趋于饱和.基于此,本文提出了一种具有部分本征GaN帽层新型A lGaN/GaN HEMTs器件结构.沟道2DEG的浓度分布出现分区,利用电场调制效应,通过调制沟道2DEG的浓度分布,从而调制了A lGaN/GaN HEMTs器件的表面电场分布.这种效应与CMOS技术中通过低掺杂漏极形成耗尽区扩展降低高电场的作用相当.利用ISE-TCAD软件仿真分析表明,通过设计一定厚度和长度的本征GaN帽层,可以使A lGaN/GaN HEMTs器件沟道2DEG耗尽区扩展直至完全耗尽,并且产生了新的电场峰,有效降低了栅边缘的高峰电场,将A lGaN/GaN HEMTs器件的击穿电压从传统结构的427 V提高到新型结构的960 V.

2 器件结构

A lGaN/GaN HEMTs器件的耐压机理与传统Si基PN结或金属氧化物半导体(MOS)结构不同.传统Si基功率器件通过PN结反向耗尽区扩展承担外加电压,扩展的耗尽区由起始的中性P区与N区形成负电荷区(P区)和正电荷区(N区).而A l-GaN/GaN HEMTs器件由于强烈的极化效应,已经形成了高极化电场和高密度电荷(A lGaN表面正电荷和A lGaN/GaN界面的2DEG负电荷).器件的耗尽过程首先是从GaN材料的带电状态调整为中性态(2DEG被耗尽后),这与传统Si基PN结或MOS结构不同,它们开始本身就为中性态;同时N型GaN缓冲层也被耗尽[18−21].

图1所示为本文提出的具有部分本征GaN帽层新型A lGaN/GaN HEMTs器件结构示意图.与传统器件结构不同的是,在A lGaN势垒层顶部,栅电极到漏电极的漂移区之间引入了部分本征GaN帽层.部分本征GaN帽层的存在,在本征GaN帽层和A lGaN势垒层界面处感应出了负极化电荷,降低了沟道2DEG的浓度,形成了栅边缘低浓度2DEG区域,低浓度的2DEG有利于耗尽区扩展直至完全耗尽.由于沟道2DEG的浓度分布由均匀分布变为从栅电极边缘到漏电极漂移区的阶梯分布,利用电场调制效应,产生了新的电场峰,降低了栅边缘的高电场峰,A lGaN/GaN HEMTs器件的表面电场分布更加均匀,击穿电压大大提高.新型A lGaN/GaN HEMTs器件的制备过程与传统器件类似,只是需要在台面隔离之后,增加一步利用感应耦合等离子体刻蚀技术选择性刻蚀顶部本征GaN帽层,之后热退火修复刻蚀损伤的工艺步骤,再进行后续的源漏欧姆接触和栅肖特基接触的工艺步骤.

本文分析的A lGaN/GaN异质结结构为衬底,40 nm厚的A lN成核层,3µm厚非故意掺杂的GaN缓冲层,厚度为20 nm,A l组分为32%的A lGaN势垒层.引入部分本征GaN帽层的厚度为T,长度为L.栅源间距、栅长和栅漏距离分别为1,1,和6µm.

图1 具有部分本征GaN帽层新型A lGaN/GaN HEMTs器件结构示意图Fig.1. Cross-sectional diagraMof the novel A l-GaN/GaN HEMTs With a partial GaN cap layer.

3 仿真结果与分析

本文的仿真结果是利用ISE-TCAD软件获得的.外延在蓝宝石或碳化硅衬底上的GaN缓冲层,在金属有机物化学气相淀积生长过程中,即使未人为掺杂,由于不可避免地引入Si,O杂质或N空位,起浅施主的作用,GaN缓冲层中背景载流子浓度比较高,表现为N型掺杂.因此在仿真中设置了N型掺杂浓度为2.0×1015cm−3.为了减小GaN缓冲层的泄漏电流,获得与实际测试结果相一致的击穿曲线,利用ISE仿真软件,在GaN缓冲层中引入了受主型陷阱[18−21].受主型陷阱的浓度为2×1016cm−3,位于导带下方0.6 eV处[13,14],载流子俘获截面面积为1×10−15cm2.

图2为击穿条件下A lGaN/GaN HEMTs器件传统结构与具有部分本征GaN帽层新型结构等势线分布,从左至右依次为源电极、栅电极和漏电极.由于A lGaN势垒层的厚度只有20 nm,图2中没有明显表示出A lGaN势垒层.对于传统结构,高浓度的沟道2DEG均匀分布.当器件反向工作时,沟道2DEG从栅边缘到漏电极的漂移区没有完全耗尽,为部分耗尽,如图2(a)所示.对于新型结构,部分本征GaN帽层降低了靠近栅边缘的沟道2DEG浓度,形成了低浓度2DEG区域,沟道2DEG耗尽区扩展比传统结构容易,从栅边缘到漏电极的漂移区已经完全耗尽,如图2(b)所示.

图2 击穿条件下的A lGaN/GaN HEMTs器件等势线分布 (a)传统结构;(b)新型结构:T=228 nm,L=3µmFig.2. Equipotential distribution of A lGaN/GaN HEMTs under b reakdown cond itions:(a)Conventional structu re;(b)novel structu re:T=228 nm,L=3µm.

图3为击穿条件下A lGaN/GaN HEMTs器件的表面电场分布,此处的表面电场位于A lGaN势垒层与GaN缓冲层的界面.从图3(a)可以看出,传统结构的电场分布为典型的三角形形状,在栅电极靠近漏电极边缘处存在一个高峰电场,沿着漂移区的方向电场逐渐降低.由于沟道高浓度2DEG均匀分布,从栅电极边缘到漏电极的漂移区没有完全耗尽.在截止态时,栅肖特基结反偏,随着漏端正偏压的增大,耗尽区的电场强度随之增大,高电场峰的存在产生了大量的电子空穴对,称为碰撞电离.碰撞电离是一个倍增现象,当碰撞电离率达到无穷大时,发生雪崩击穿[23].A lGaN/GaN HEMTs器件发生击穿的位置一般位于栅边缘.降低栅边缘处的高峰电场成为提高击穿电压的一种重要技术.而对于本文提出的新型结构,其电场分布与传统结构的明显不同之处在于新的电场峰的产生.这是由于部分本征GaN帽层降低了沟道2DEG浓度,形成了栅边缘低浓度2DEG区域,使沟道2DEG浓度由均匀分布变为栅电极边缘到漏电极漂移区的阶梯分布,低浓度的2DEG使沟道耗尽区扩展并完全耗尽.新电场峰的出现,有效降低了栅边缘的高峰电场,A lGaN/GaN HEMTs器件的表面电场分布更加均匀,击穿电压从传统结构的427 V提高到新型结构的960 V.并且由于沟道2DEG的完全耗尽,在器件漏电极边缘出现了新的电场峰.

图3 击穿条件下的A lGaN/GaN HEMTs器件表面电场分布 (a)传统结构与新型结构的比较;(b)新型结构随L参数的变化:T=228 nmFig.3. Su rface electric field d istribu tions of A lGaN/GaN HEMTs under b reakdown cond itions:(a)CoMparison of the conventional and novel structure;(b)variation of surface electric field d istributions With L of the novel structure:T=228 nm.

图3(b)为具有部分本征GaN帽层新型A l-GaN/GaN HEMTs器件表面电场分布随部分本征GaN帽层长度的变化.可以看出,随着部分本征GaN帽层长度的增加,新电场峰值逐渐提高,位置逐渐向漏电极处移动,并且栅边缘的高峰电场逐渐降低.这是由于随着部分本征GaN帽层长度的增加,电场调制效应增强,沟道低浓度2DEG区域延长,2DEG耗尽区扩展并达到了完全耗尽.当部分本征GaN帽层的长度为1µm时,与传统结构相比,漂移区的沟道2DEG耗尽区有所扩展,A l-GaN/GaN HEMTs器件的击穿电压为661 V;当部分本征GaN帽层的长度为2µm时,漂移区的沟道2DEG达到了完全耗尽,器件的击穿电压为880 V;当部分本征GaN帽层的长度为3µm时,完全耗尽后的沟道2DEG使漏电极边缘出现电场峰,此时由于栅边缘高电场峰进一步降低,器件的击穿电压进一步提高到960 V.

对于具有部分本征GaN帽层的新型A l-GaN/GaN HEMTs器件,影响击穿电压的主要参数为部分本征GaN帽层的的长度和厚度,这与功率器件传统终端技术中的场板规律类似[5].不同的部分本征GaN帽层的长度和厚度,导致产生的新电场峰的值和位置不同,进而对栅边缘高峰电场降低程度的影响不同.如图4(a)所示,当部分本征GaN帽层的厚度固定时,随着其长度的增加,靠近栅边缘的沟道中低浓度2DEG区域延长,形成的新电场峰使栅边缘高电场峰的降低程度增加,A l-GaN/GaN HEMTs器件的击穿电压增大.当部分本征GaN帽层厚度固定为228 nm、部分本征GaN帽层的长度为栅漏间距的一半时,A lGaN/GaN HEMTs器件的击穿电压从传统结构的427 V提高到960 V,增量为125%;当部分本征GaN帽层的长度大于栅漏间距的一半,漏电极边缘出现新的电场峰,击穿电压增加速度减慢,趋于饱和.同样地,当部分本征GaN帽层的厚度为30,10 nm时,如图4(a)所示,A lGaN/GaN HEMTs器件击穿电压的变化表现出相似的规律.

如图4(b)所示,当部分本征GaN帽层的长度固定为3µm时,随着部分本征GaN帽层厚度的增加,沟道2DEG浓度降低并逐渐饱和,因此A l-GaN/GaN HEMTs器件的击穿电压逐渐增加并保持不变.这是由于在器件反向工作时,在较低漏压下就可以很容易地将沟道低浓度的2DEG完全耗尽,使器件可以在更高反向电压下扩展耗尽沟道2DEG而提高击穿电压.

图4 新型结构击穿电压与部分本征GaN帽层参数的关系 (a)击穿电压随L参数的变化:T=228,30,10 nm;(b)击穿电压随T参数的变化:L=3µmFig.4.Relationship of breakdown voltage With paraMeters of the partial GaN cap layer:(a)B reakdown voltage dependence on L:T=228,30,and 10 nm;(b)breakdoWn voltage dependence on T:L=3µm.

图5(a)所示为传统结构与具有部分本征GaN帽层新型结构的转移特性曲线的比较.由于在栅边缘到漏电极的漂移区之间引入了部分本征帽层,降低了栅边缘到漏电极之间沟道2DEG的浓度,而A lGaN/GaN HEMTs器件的阈值电压仅仅与栅下电极覆盖区域有关,因此新型结构的阈值电压与传统结构相比并没有明显差异.在最优参数条件下(T=228 nm,L=3µm),传统器件的阈值电压为−2.6 V,新型器件的阈值电压为−2.4 V.

图5(b)所示为传统结构与具有部分本征GaN帽层新型结构的输出特性曲线的比较.A l-GaN/GaN HEMTs器件的最大输出电流与沟道2DEG的浓度和迁移率成正比.部分本征GaN帽层的存在,在降低沟道2DEG浓度的同时,提高了2DEG的迁移率[22].在最优参数条件下(T=228 nm,L=3µm),A lGaN/GaN HEMTs器件的最大输出电流从传统结构的870 MA/mm降低到新型结构的790 MA/mm,减小了9.2%.通过图5(b)可以计算获得A lGaN/GaN HEMTs新型结构的比导通电阻为0.65 mΩ.cm2,传统结构的比导通电阻为0.58 mΩ.cm2,增大了11%左右,相比击穿电压提高了125%,比导通电阻的增大幅度是可以接受的.这是提高A lGaN/GaN HEMTs器件击穿电压的折中结果.

图5 传统结构与新型结构的正向特性曲线的比较 (a)转移特性;(b)输出特性Fig.5. CoMparison of forward characteristic curves between the conventional and novel structu re:(a)Transfer characteristic;(b)output characteristic.

图6为传统结构与具有部分本征GaN帽层新型结构的栅源电容CGS随频率的变化关系.可以看出,在低频段时,新型结构的栅源电容值比传统结构有所减小.新型结构的栅源电容为3.32 pF/mm,相比传统结构的3.69 pF/mm,减小了10%.由于引入了部分本征GaN帽层,降低了沟道2DEG的浓度,相应地降低了空间电荷区的电荷密度,因此新型结构在低频段时拥有比传统结构更小的栅源电容.在频率达到一定程度后,器件的栅源电容开始急剧下降至最低值附近,从图6可以获得,当工作频率增大到1 THz时,新型结构和传统结构的栅源电容分别减小至77.5和82.3 fF/mm.

为了得到A lGaN/GaN HEMTs器件的截止频率和最大振荡频率,采用二端口网络进行小信号S参数仿真,图7所示为传统结构与具有部分本征GaN帽层新型结构的小信号高频特性的比较结果.H21为小信号电流增益,UPG为单向功率增益,A lGaN/GaN HEMTs器件的直流偏置条件为VGS=0 V,VDS=20 V.从图7中可以看出,当H21下降到0 dB时,新型结构拥有与传统结构几乎一样的截止频率,分别为15和12 GHz.这是因为截止频率与栅源电容成反比,与跨导成正比.由于部分本征帽层带来的影响,使得器件跨导的下降程度与栅源电容的减小程度相抵消,所以新型结构的截止频率基本未发生改变.而当UPG下降到0 dB时,新型结构和传统结构的最大振荡频率分别为65和58 GHz,增加了约12%.在截止频率未改变的情况下,由于部分本征GaN帽层的存在,降低了沟道2DEG浓度,增加了沟道电阻,因此最大振荡频率有所提高.

图6 传统结构与新型结构的栅源电容随频率的变化Fig.6.Variation of CGSWith frequencies of the conventional and novel A lGaN/GaN HEMTs.

图7 传统结构与新型结构的小信号高频特性曲线Fig.7. SMall signal high-frequency characteristic curves of the conventional and novel A lGaN/GaN HEMTs.

4 结论

本文提出了一种具有部分本征GaN帽层新型A lGaN/GaN HEMTs器件结构.在A lGaN势垒层顶部,栅漏漂移区之间引入部分本征GaN帽层,降低了沟道2DEG的浓度,形成了低浓度2DEG区域,低浓度的2DEG使沟道耗尽区扩展直至完全耗尽.利用电场调制效应,产生了新的电场峰,有效降低了栅边缘的高峰电场,A lGaN/GaN HEMTs器件的表面电场分布更加均匀,击穿电压从传统结构的427 V提高到了新型结构的960 V.由于沟道2DEG浓度减小,沟道电阻增加,新型A lGaN/GaN HEMTs器件的输出电流略有减小,截止频率几乎保持不变,而最大振荡频率有所提高.

[1]ThaMWH,Ang D S,Bera L K,DolManan S B,Bhat T N,Lin V K,Tripathy S 2016 IEEE Trans.Electron.Dev.63 345

[2]AMbacher O,SMart J,Shealy J R,WeiMann N G,Chu K,Mu rphy M,Schaff WJ,EastMan L F,D iMitrov R,WittMer L,Stu tzMann M,Rieger W,Hilsenbeck J 1999 J.Appl.Phys.85 3222

[3]Yu E T,Dang X Z,Asbeck P M,Lau S S,Su llivan G J 1999 J.Vac.Sci.Technol.B 17 1742

[4]Huang X,Liu Z,LiQ,Lee F C 2014 IEEE Trans.Power E lectron.29 2453

[5]K arMalkar S,Mish ra U K 2001 IEEE Trans.E lectron.Dev.48 1515

[6]OkaMoto Y,Ando Y,NakayaMAt,Hataya K,MiyaMoto H,Inoue T,Senda M,Hirata K,Kosaki M,Shibata N,Kuzuhara M2004 IEEE Trans.E lectron.Dev.51 2217

[7]Saito W,Ku raguchi M,Takada Y,Tsuda K,OMura I,OgurAt 2005 IEEE Trans.Electron.Dev.52 106

[8]Wong J,Shinohara K,Corrion A L,Brown D F,Carlos Z,WilliaMs A,Tang Y,Robinson J F,Khalaf I,Fung H,SchMitz A,Oh T,K iMS,Chen S,BurnhaMS,MargoMenos A,Micovic M2017 IEEE E lectron Dev.Lett.38 95

[9]KarMalkar S,Deng J,Shur MS 2001 IEEE Electron Dev.Lett.22 373

[10]Nan jo T,IMai A,Suzuki Y,Abe Y,O ishi T,Suita M,Yagyu E,Tokuda Y 2013 IEEE Trans.E lectron.Dev.60 1046

[11]Song D,Liu J,Cheng Z,Tang WC W,Lau K M,Chen K J 2007 IEEE E lectron Dev.Lett.28 189

[12]K ato S,Satoh Y,Sasaki H,Masayuki I,Yoshida S 2007 J.Cryst.GroWth 298 831

[13]Polyakov A Y,SMirnov N B,Govorkov A V,YugovAt G,Markov A V,Dabiran A M,WoWchak A M,Cui B,X ie J,Osinsky A V,ChoWP P,Pearton S J 2008 Appl.Phys.Lett.92 042110

[14]H irose M,Takada Y,Tsuda K 2012 Phys.Stat.Sol.C 9 361

[15]Treidel E B,H ilt O,B runner F,Würfl J,Tränkle G 2008 IEEE Trans.Electron.Dev.55 3354

[16]Udrea F,Popescu A,MilneWI 1998 Electron.Lett.34 808

[17]Duan B X,Yang Y T,Zhang B 2009 IEEE Electron Dev.Lett.30 305

[18]Duan B X,Yang Y T 2012 Sci.China:Inf.Sci.55 473[19]Duan B X,Yang Y T 2012 Chin.Phys.B 21 057201

[20]Duan B X,Yang Y T,Chen J 2012 Acta Phys.Sin.61 247302(in Chinese)[段宝兴,杨银堂,陈敬2012物理学报61 247302]

[21]Duan B X,Yang Y T 2014 Acta Phys.Sin.63 057302(in Chinese)[段宝兴,杨银堂 2014物理学报 63 057302]

[22]HeikMan S,Keller S,Wu Y,Speck J S,Denbaars S P,Mishra U K 2003 J.Appl.Phys.93 10114

[23]Baliga B J 2008 FundaMen tals of Power SeMiconductor Devices(NeWYork:Sp ringer)pp1–2

PACS:73.40.Kp,73.40.Vz,73.61.EyDOI:10.7498/aps.66.167301

*Project supported by the National Basic Research PrograMof China(G rant Nos.2014CB339900,2015CB351900)and the Key PrograMof the National Natu ral Science Foundation of China(G rant Nos.61234006,61334002).

†Corresponding author.E-Mail:bxduan@163.com

Characteristic analysis of neWA lG aN/G aN h igh electron Mob ility transistor With a partial GaN cap layer∗

Guo Hai-Jun Duan Bao-Xing†Yuan Song Xie Shen-Long Yang Yin-Tang

(Key Laboratory of the Ministry of Education forWide Band-Gap SeMiconductor Materials and Devices,School of Microelectronics,Xidian University,Xi’an 710071,China)

11 Ap ril 2017;revised Manuscrip t

5 June 2017)

In order to reduce the high electric field peak near the gate edge and op tiMize the non-uniforMsurface electric field distribution of conventional A lGaN/GaN high electron Mobility transistor(HEMT),a novel A lGaN/GaN HEMT With a partial GaN cap layer is proposed in this paper.The partial GaN cap layer is introduced at the top of the A lGaN barrier layer and is located froMthe gate to the drain d rift region.A negative polarization charge at the upper hetero-junction interface is induced,oWing to the polarization eff ect at the GaN cap layer and A lGaN barrier layer interface.Hence,the two diMensional electron gas(2DEG)density is reduced.The low-density 2DEG region near the gate edge is forMed,which turns the uniforMdistribution into a gradient distribution.The concentration distribution of 2DEG ismodified.Therefore,the surface electric field distribution of A lGaN/GaN HEMT ismodu lated.By the electric field Modu lation eff ect,a neWelectric field peak is produced and the high electric field peak near the gate edge of the drain side is eff ectively reduced.The surface electric field of A lGaN/GaN HEMT isMore uniforMly redistributed in the drift region.In virtue of ISE-TCAD simu lation software,the equipotential and the surface electric field distribution of A lGaN/GaN HEMT are obtained.For the novel A lGaN/GaN HEMT eMp loying a partial GaN cap layer,the 2DEG is coMp letely dep leted froMthe gate to the drain electrodes,arising froMthe low-density 2DEG near the gate edge,while the 2DEG is partly dep leted for the conventional A lGaN/GaN HEMT.The surface electric field distribution of the conventional structure is coMpared With the one of the novel structuresWith partial GaN cap layers of diff erent lengths at a fixed thickness of 228 nm.With increasing length,the neWelectric field peak increases and shifts toward the d rain electrode,and the high electric field peak on the drain side of the gate edge is reduced.Moreover,the breakdown voltage dependence on the length and thickness of the partial GaN cap layer is achieved.The simulation results exhibit that the breakdown voltage can be iMproved to 960 V coMpared With 427 V of the conventional A lGaN/GaN HEMT under the op timuMconditions.The threshold voltage of A lGaN/GaN HEMT reMains unchanged.TheMaximuMoutput current of A lGaN/GaN HEMT is reduced by 9.2%and the specific on-resistance is increased by 11%due to a 2DEG density reduction.The cut-off frequency keeps constant and themaximuMoscillation frequency shows an iMprovement of 12%resu lting froMthe increased output resistance.The resu lts deMonstrate that the proposed A lGaN/GaN HEMT is an attractive candidate in realizing the high-voltage operation of GaN-based power device.

high electron Mobility transistors,electric field modu lation,two dimensional electron gas,breakdown voltage

10.7498/aps.66.167301

∗国家重点基础研究发展计划(批准号:2014CB 339900,2015CB 351900)和国家自然科学基金重点项目(批准号:61234006,61334002)资助的课题.

†通信作者.E-Mail:bxduan@163.com

http://Wu lixb.iphy.ac.cn