AlN间隔层厚度对AlGaN/GaNHEMT器件电学特性的仿真研究

刘劭璠 张明兰

摘 要：二维电子气（2DEG）特性决定了AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）性能。为了提高器件的2DEG密度、迁移率和漏电流，本文采用AlGaN和GaN之间引入一层薄的AlN间隔层的方法。使用Silvaco仿真工具模拟了不同AlN间隔层厚度对载流子浓度、迁移率和量子阱深度的影响。器件仿真结果表明：在HEMT器件中插入薄AlN间隔层可以增加载流子浓度和迁移率，并加大了导带不连续性。另外，器件的电子迁移率在AlN厚度为0.2nm时取得最大值，而载流子浓度和漏电流随AlN层厚度增加而持续上升。

关键词：HEMT；间隔层；迁移率；载流子浓度；仿真

中图分类号：TN323.3 文献标识码：A

Abstract：Two-dimensional electron gas（2DEG） property is crucial for performance of AlGaN/GaN high electron mobility transistor （HEMT）.Introduction of AlN spacer layer in between AlGaN and GaN layer is one of the way to improve 2DEG density，mobility，and drain current. Carrier concentration， mobility and quantum well depth for different AlN spacer thickness was simulated by using Silvaco simulation tool.Our device simulations showed that carrier concentration，mobility are enhanced on introduction of AlN spacer layer in HEMT.In addition，our simulation showed that the mobility of 2DEG attains maximum value at the 0.2nm thick AlN layer but carrier concentration and drain current increase with spacer thickness.

Key words：HEMT；Spacer layer；mobility；carreier concentration；simulation

EEACC：2560

1 引言

基于GaN的高電子迁移率晶体管（HEMTs）具有宽禁带（3.4eV）、高击穿电场（约3V/cm）和很强的自发极化和压电极化等优点，氮化物材料优秀的基础物理性质使它在高频率、高功率微波应用方面引人注目。为了提高高功率开关器件的性能，获得低导通电阻，需要提高载流子浓度和迁移率的乘积。而对于AlGaN/GaN HEMT器件来说，在AlGaN和GaN之间的大导带不连续性，包括自发极化和压电极化的极化的存在形成一个三角势阱，限制了二维方向上的AlGaN/GaN界面高密度电子（1013cm-2量级）。

这些年来，为了提高载流子浓度和迁移率的乘积，出现了很多办法。对AlGaN势垒层进行Si掺杂是增加沟道中薄膜电子密度的有效方法。但是许多实验小组表示由于Si掺杂造成的电荷增加低于总电荷的25%。所以通过对AlGaN势垒层进行Si掺杂增加薄膜电子密度中的电势是有限的。另一中更有效的增加薄膜电子密度的方法是提高AlGaN势垒层中Al的含量，势垒中的Al含量越高，自发极化和压电极化就越强，于是感应得到更高的薄膜电子密度。但是随着Al摩尔分数的增加，AlGaN层的表面质量退化，电子迁移率会下降，这是由于AlGaN势垒层中的合金无序散射的影响。

而Shen等人经过努力在AlGaN势垒层和GaN缓冲层之间插入一层薄的AlN界面层，来提高HEMT结构的电学特性。在极化作用下，该插入层能够提高AlGaN势垒层和GaN沟道层的有效导带带阶，一方面能够形成更深而窄的量子阱，有利于提高沟道电子密度；另一方面还能够抑制渗入到AlGaN中的二维电子气所受的合金无序散射，提高沟道电子迁移率。

AlN间隔层的另一个作用是减少了肖特基栅正向电流，可以使晶体管在更高栅极电压下工作。使AlGaN/AlN/GaN HEMTs的漏电流高于传统的AlGaN/GaN HEMTs。此外，AlN层的厚度对迁移率也很重要。当厚度改变，极化场和导带不连续性改变，也影响了2DEG相关的浓度和迁移率。

因此，我们需要去了解在高功率器件中间隔层的临界厚度，研究更高AlN间隔层厚度使迁移率减小的真实原因。这方面报道已经有部分报道，但是关于AlGaN/AlN/GaN HEMTs器件的仿真研究还很少。

在本文中，通过基于数值计算的silvaco软件来研究不同AlN间隔层厚度对AlGaN/AlN/GaN HEMT电学特性的影响。讨论了功率器件的间隔层最大临界厚度。

本文安排如下：

在第二章節中，我们介绍了用来研究不同AlN间隔层厚度对AlGaN/AlN/GaN HEMT的影响的器件结构和模拟设置。在第三章节，我们报告了结果，检验了由AlN间隔层厚度决定的传输特性。在第四章节，我们描述了结论。

2 仿真方法

本文研究的物理器件是在不同温度下使用金属有机化学气相淀积而成的，衬底为蓝宝石。完成整个生长流程需要氨（NH3）、三甲基镓（TMGa），三甲基铝（TMAl）作为先导物，氢气作为运载气体。

首先生长AlN成核层，再生长3μm厚非掺杂的GaN缓冲层，然后是各种厚度（0-2nm）的薄AlN间隔层，在顶上生长25nm厚的非掺杂的AlGaN势垒层，Al的摩尔分数在30%。整个外延层在高温下生长。

圖1（a）是无AlN间隔层的传统结构，而图1（b）带有AlN间隔层，除了AlN间隔层厚度，两种结构使用相同的器件参数。在图1（b）中，AlN间隔层厚从0到2nm变化。因为在AlGaN和GaN之间插入薄AlN间隔层可以加强对2DEG的限制。所以我们可以估算电子输运特性的变化，间隔层影响了与2DEG浓度和迁移率有关的输运载流子。

器件性能主要依赖各种类型散射机制影响的载流子迁移率，如合金无序散射（在低温和室温下，三元化合物中的电子散射）、表面粗糙度散射（低温）等。在这些散射机制中，当载流子浓度很高，处在低温和室温时，合金无序散射是主要限制因素。AlN的二元化合物属性使合金无序散射相对降低。而且，AlN提高了量子阱深度和势垒，更好的限制了电子溢出沟道。所以，在我们的器件仿真中，电子迁移率模型考虑2个部分；一个是影响传输特性的低电场迁移率模型，另一个是氮化物特有的高电场迁移率模型。

这里μ是低电场迁移率，vsat是饱和速度，E是电场，Ec，a，n1，n2是模型参数。器件的电流特性由求解薛定谔方程和泊松方程的自洽解得到。最后通过silvaco软件中的Tonyplot输出结果。

3 结果和讨论

本章节中通过仿真软件的ATLAS器件仿真得到了传统AlGaN/GaN HEMT器件和AlGaN/AlN/GaN HEMT器件的迁移率和电子浓度。我们比较了传统结构HEMT和带有AlN间隔层结构的HEMT的优劣。本章节比较了两种器件的电学特性。

图2表示提出的AlGaN/AlN/GaN HEMT器件和传统结构器件的导带分布图。AlGaN/GaN异质结界面之间的薄AlN间隔层产生了更大的有效的导带不连续性，这是因为载流子穿过间隔层时，强压电和自发极化场导致电势下降。

通过器件仿真的方法分析了AlN间隔层厚度器件量子阱深度的影响，结果如图3所绘。当间隔层厚度增加时，导带不连续性变大。

图4表示不同AlN间隔层厚度对器件的量子阱深度的影响。结果表明，在AlGaN/AlN/GaN HEMT中，当AlN间隔层达到2nm时，2DEG深度增加了56%。

相对禁带窄的GaN材料和宽禁带的AlGaN材料的异质结界面产生的2DEG是限制量子阱中电子溢出的重要机制，它会产生很高的电子浓度和电子迁移率。据发现，在AlN/GaN异质结构中的带有AlN的势垒层中的强极化场会导致2DEG薄膜密度数值很高。

图7 表示器件电子迁移率受AlN层厚度变化的影响，厚度从0上升到0.2nm，迁移率随之增加，这是由于粗糙度散射和合金散射很低。但是薄AlN间隔层处的高载流子浓度导致2DEG分布向界面移动。它导致界面粗糙度散射和2DEG中的库仑散射增加。结果，AlN间隔层厚度超过0.2nm，迁移率下降。

图8表示栅压为0V时的漏电流峰值。我们都知道漏电流是结合了迁移率和电子浓度的结果。据报道，当AlN层厚度达到一定值时，载流子浓度占主导作用，超过这个定值后迁移率占主导作用，AlN层厚度超过这个定值后，峰值电流会下降。但是由于本文中AlN层厚度變化对迁移率影响甚微，电子浓度的作用更加明显，所以峰值电流依然增加。

4 结论

本文研究了不同AlN间隔层厚度影响的AlGaN/AlN/GaN HEMT的2DEG传输特性。插入AlN间隔层使电子浓度大大提高，且依赖于AlN间隔层的厚度。传输特性的临界AlN层厚度为1.2nm。取AlN层厚度为0至2nm，电子浓度保持增长趋势。而当厚度达到1.2nm时，电子迁移率开始下降，从而在漏电流上表现为：AlN层厚度达到1.2nm之前，漏电流会随着厚度增加，达到1.2nm后，逐渐下降。因此对于本器件来说，最优AlN间隔层可厚度为1.5nm，适合应用于高速、高功率开关器件。

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基金项目：河北省自然科学基金资助项目（F2014202046）