AlGaN/GaN HEMT 器件场板长度对击穿电压的影响

2020-04-26宋富虎刘悦张佳宜陈冲

经济技术协作信息 2020年10期

◎宋富虎刘悦张佳宜陈冲

相比于第一，第二代半导体，GaN 半导体材料具有禁带宽度大、击穿场强高、电子饱和速度大、导热性能好等优点。AlGaN/GaN HEMT 作为GaN 基电子器件的代表，在微波大功率领域有着广阔的应用前景。

一、常规AlGaN/GaN?HEMT 器件基本结构

图为常规AlGaN/GaN 高电子迁移率器件的结构图，图中器件由下至上分别为蓝宝石（Sapphire）衬底层，蓝宝石作为GaN 材料的衬底，其主要的优点有以下几个方面，第一：蓝宝石衬底的生产技术成熟、器件质量较好，第二、蓝宝石的稳定性很好，适用于GaN 缓冲层的高温生长，第三、蓝宝石的机械强度高，易于实际生产中的处理和清洗。AlN 为器件成核层，成核层的引入主要用于提升器件外延生长的质量，一般AlN 的厚度为100nm 左右；然后是GaN 材料缓冲层，GaN 缓冲层上是AlGaN 势垒层，具体方法为在GaN 晶体上生长上一层AlGaN，但由于GaN 和Al-GaN 晶体在(001)方向上不满足反转对称性，故AlGaN/GaN 异质结面上存在很强的自发极化效应，同时又由于AlGaN 与GaN 为两种不同的半导体材料，界面接触处晶格会发生形变，引起很强的压电极化效应]，通过两种极化效应的相互增强，在AlGaN/GaN 异质结界面将诱导出大量正的极化电荷，由库仑定律可知，正极化电荷会吸引带有负电的电子向AlGaN/GaN异质结界面积累, 最终在AlGaN/GaN 交界面处的薄层将形成高密度二维电子气（2DEG），理想状态下二维电子气指的是一种只能在AlGaN/GaN 异质结材料界面处自由移动的电子，在与异质结垂直的界面上不发生移动，但在器件实际工作中，由于源漏偏压过大或二维电子气本身的量子效应，其可以在AlGaN/GaN 异质结界面发生移动，形成反向栅泄露电流，影响器件的功能。栅下的GaN 层为器件的帽层结构，帽层结构的引入主要用于减小Al-GaN 界面的表面电荷缺陷。SiN 为器件的钝化层，用于处理器件的表面结构，减小表面缺陷，降低栅反向泄漏电流。事实上，若栅极与漏极之间的钝化层不与漏极相连，此时的SiN 钝化层结构就被称为场板结构(FP 结构)。S 为器件的源极，G 为器件的栅极，D 为器件的漏极，栅极主要用于控制器件的关断，正向电压下负电性的电子将在极化层处大量堆积，异质结表面将形成大量的二维电子气（2DEG），此时在S 端和D 端外加偏压，电子将发生定向移动，形成电流。保持G 端的栅电压不变，随着D端电压的不断增加，源漏间的电流将不断升高。

二、不同场板长度对栅下电场强度的影响

器件栅电极制作完成之后，结构上栅极位置与其正下方的耗尽层相互垂直，外加栅极电压后，耗尽层中的栅极电场线同样与耗尽层垂直，但注意到外加漏极电压后，在栅电极靠近源漏偏压的边缘处，耗尽层边界电场线将发生严重的弯曲，且曲率很大。造成的结果为电场线密集的向栅电极边缘集中，相同的偏压下，栅极边缘处耗尽层的峰值电场远远大于栅极正下方耗尽层的峰值电场，由于电场强度增大，栅极附近陷阱电荷增强，同时耗尽层内电子能量增强，碰撞电离率升高，且电子有足够的运动距离用于其加速，器件在源、漏间发生雪崩击穿发生的概率将大大提高，损毁器件。但在FP 结构中，虽然FP与栅电极相连，但并不直接与AlGaN 势垒层相接触，所以场板结构的电势与AlGaN耗尽层电势并不相等，外加偏压下，也将产生垂直表面的纵向电场，改变耗尽层内的电场分布，从而分散峰值电场强度，提高器件的击穿电压。

在证明场板结构对击穿电压影响的仿真实验中，我们需要以下步骤来完成，第一步，通过Silvaco 软件编写程序模出AlGaNGaN HEMT 器件的基本结构并设定器件的模型参数，器件的栅长为0.8um、源漏间距8.8um，栅漏间距4um，钝化层厚度为60nm，第二步，在AlGaN/GaN HEMT器件的模型中调入业界已经成熟应用的程序模型，主要包括二维电子气模型，迁移率模型、载流子生成-复合模型、碰撞电离模型，雪崩击穿等模型等。最后，设计了SiN 场板长度分别为0.2um 和1um 的两种结构。在钝化层厚度为60nm 保持不变的情况下，栅下电场强度随栅场板结构与源电极距离变化所得曲线，其结果如下图所示，在Vd 为100V 时，漏场板长度为0.2um时的峰值电场为4.7×10-6V/cm，但漏场板长度增加到1um 身后，电场峰值变为两个均匀的电场峰，强度分别为4.2×10-6V/cm和3.9×10-6V/cm，在根据横坐标的位置关系，发现两个漏场板长度为1um 的两个电场峰值电分别位于栅电极边缘和漏场板的边缘，当漏场板从0.2um 增加到1um，即漏场板长度与栅楼间距的比例由5%增加到25%的过程中，栅下电场强度峰值下降15%左右。