AlGaN/GaN HEMT电学特性的ATLAS模拟

摘要：分析了AlGaN/GaN HEMT器件的结构及特性，2DEG的浓度与器件的电学特性的关系。在仿真软件ATLAS上构建器件模型，对器件的转移特性和输出特性进行了模拟仿真，并对仿真结果进行分析。

关键词：AlGaN/GaN HEMT；2DEG；转移特性；输出特性

1 绪论

近年来，GaN半导体材料以其宽禁带、强击穿电场、高电子迁移率等优越的物理特性，在电子器件领域得到了迅速的发展。GaN基器件更适合工作在高温、高压和高频等复杂条件下。AlGaN/GaN HEMT由于在其异质结界面形成了高密度、高迁移率的二维电子气，有良好的大功率和高频特性，成为无线通信、电力电子等领域的核心器件。但是受材料生长质量、器件结构以及制备加工技术等因素的限制，GaN基HEMT的电学性质受到材料表面高密度缺陷太、较大栅极漏电流等问题的制约，出现过早击穿、电流崩塌及高场应力退化等问题。本文基于ATLAS软件对AlGaN/GaN HEMT的电学特性进行模拟，从而分析器件的电学性质，对器件的结构优化有一定的指导作用。

2 器件的结构

AlGaN/GaN HEMT是一种以高迁移率的2DEG作为导电沟道的器件，在AlGaN/GaN异质结界面能够形成量子阱与带阶，电子分布于量子阱中，形成可沿着异质结界面左自由运动而在垂直于异质结界面方向运动受限制的2DEG。器件的肖特基势垒栅极利用栅压来控制2DEG沟道的开启与关闭。

AlGaN/GaN HEMT的结构如图1所示，栅极采用肖特基接触，源漏极为欧姆接触。器件的制作中一般使用MOCVD依次在蓝宝石衬底淀积AIN缓冲层、未掺杂的GaN层和一定厚度的AlGaN势垒层。为了减小HEMT中的电流崩塌效应，在栅源和栅漏之间制作钝化层。器件工作时，源漏电压形成的横向电场使沟道中的2DEG沿着异质结界面传输，形成稳定的输出电流，肖特基极则通过栅压控制2DEG耗尽，实现沟道的开启和关闭。

2DEG的密度与AlGaN/GaN HEMT器件的电学特性的关联非常密切，而产生2DEG的原因是由于极化效应的存在。栅极电压可以通过改变沟道2DEG的密度而达到控制器件工作状态的作用。极化包括自极化PSP和压电极化PPZ，如果我们假定GaN处于完全弛豫状态，则其极化的总量就只包含自发激化。而对于AlGaN来说，极化除了自发激化之外，还包括由于晶格常数不匹配引起的压电极化分量。其应力表达式为：

ε=（1-r）aAlGaN-aGaNaAlGaN（1）

式中ε表示AlGaN所受到的应力；r表示应变弛豫度；aAlGaN、aGaN分别表示AlGaN、GaN的晶格常数。

AlGaN层的压电极化分量可表示为：

PPz（AlGaN）=2ε（e31-e33c13/c33）（2）

式中e31和e23为压电常数；c13和c33为弹性常数。

忽略极化适量的水平分量，假定只有极化矢量的垂直分量起作用，则AlGaN总的极化矢量等于其自发极化分量和压电极化分量的总和。可表示为：

PTz（AlGaN）=PSP（AlGaN）+PPz（AlGaN）（3）

受极化效应的影响，在AlGaN势垒层表面和AlGaN/GaN异质结界面处产生了极化电荷。AlGaN表面和AlGaN/GaN异质结界面处的电荷面密度的表达式为：

（4）

器件的沟道中的漏电流若用准二维的方法，其表达式为：

IDS=-qWv（z）ns（z）（5）

式中，W是沟道宽度；v是电子的速度；σ为而为电子气浓度，它是沟道位置z和栅压的函数。

极化电荷受到Al组分的分量、势垒高度等因素的影响。在ATLAS中包含了很多物理模型，对器件进行模拟时需要进行合理的筛选。在AlGaN/GaN HEMT器件中，介电常数的各向异性对电学特性有很重要的作用，在仿真是采用各向异性模型。而GaN为宽禁带半导体材料，故在异质结的模拟中用费米统计。

3 器件的电学特性仿真

在用ATLAS软件进行仿真时首先搭建模拟所用的器件模型，如图2所示，器件的GaN层厚度是1.475μm，而非故意掺杂的AlGaN势垒层的厚度为25nm.而在栅极两侧的氮化物钝化层的厚度为0.5μm。栅极的宽为2μm，厚度为0.5μm.源极和漏极的宽度为0.5μm，厚度为0.1μm。在仿真时用到载流子迁移率模型以及极化模型等。

图3为模拟仿真得到的器件的转移特性曲线，栅极所加电压最小值为10V，最大值为1V，漏源偏压为1V。从仿真结果可以看出，器件的开启电压大约在6V。在大于开启电压后，漏极电流随着栅压的增大而先增加后趋于饱和。

图4和图5分别为考虑晶格加热效应和不考虑晶格加热时的输出特性曲线，器件的工作温度为300K。栅极偏压分別为0V，1V，2V，3V，漏源偏压从0V到16V。从图中可以看出AlGaN/GaN HEMT的饱和电压比较高，考虑晶格加热效应时曲线比较平缓更能体现器件的真实电学特性。

4 结论

分析了AlGaN/GaN HEMT器件的结构及特性。对于AlGaN/GaN HEMT器件来说，二维电子气浓度主要是由界面处的极化效应引起的。器件的电学性质由二维电子气浓度决定。我们通过仿真软件对AlGaN/GaN HEMT器件的电学特性进行了模拟仿真。从结果来看AlGaN/GaN HEMT器件的开启电压和饱和电压都比较高。表现出良好的电学特性。

参考文献：

[1]常永明，毛维，郝跃. 一种改进的AlGaN/GaN HEMT全局直流模型[J].微电子学，2017（47）.

[2]张明兰，王晓亮，杨瑞霞，胡国新.AlGaN/GaN HEMT中电场分布的ATLAS模拟[J].半导体技术，2010（35）.

[3]薛舫时.氮化物异质结电子气的二维特性和迁移率[J].固体电子学研究与进展，2007（27）.

项目基金：贵州省2014年联合基金项目（黔科合LH字[2014]7181号）

作者简介：张子砚（1979），女，甘肃白银人，硕士，讲师，微电子学与固体电子学。