一种具有N埋层的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管

张 飞，林 茂，毛鸿凯，苏芳文，隋金池

(杭州电子科技大学 电子信息学院,浙江 杭州 310018)

近年来，人们对以GaN为代表的第三代半导体材料进行了大量的研究[1-2]。由于GaN材料具有许多优异性能，例如高的临界击穿电场、宽的禁带宽度、低的导通电阻和高的电子迁移率等，因此AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(High-Electron Mobility Transistor，HEMT)在多个领域得到了广泛的应用[3-8]。然而，与传统的硅基半导体器件相比，GaN基半导体器件依然存在一些问题需要解决，其优良特性还没有完全发挥出来[9]。

为了提高AlGaN/GaN HEMT的击穿电压(Breakdown Voltage, BV)，发挥出GaN材料的耐高压特性，国内外研究人员提出了各种方法，例如缓冲层掺Fe[10-11]或C[12-14]等杂质以及采用AlGaN背势垒[15-17]作为缓冲层等。然而，这些方法都是通过牺牲器件的导通电阻来换取击穿电压的提升，即通过折中导通电阻和击穿电压实现Baliga优值(Baliga’s Figure of Merit，BFOM)的改善，没有进一步发挥出AlGaN/GaN HEMT导通电阻低的优点。

对于GaN基功率器件来说，在确保器件具有较低的导通电阻的基础上，进一步实现高的击穿电压才是有意义的[18]。因此，从改善器件的击穿电压和保持器件低的导通电阻着手，提出了一种具有N型GaN埋层的AlGaN/GaN HEMT结构。该结构能够在不牺牲器件导通电阻的基础上，明显改善器件击穿电压，发挥出GaN HEMT器件的耐高压特性。

1 器件仿真

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传统结构(C-HEMT)和具有N型GaN埋层的结构(N-HEMT)的截面图如图1所示。两个结构具有共同的基础层，包括GaN复合缓冲层、GaN沟道层、Al0.15Ga0.85N势垒层、Si3N4钝化层和栅介质等，详细参数信息如表1所示。两个器件的栅长LG、栅漏间距LGD和栅源间距LGS分别为0.5 μm、6 μm和0.5 μm。GaN沟道层和Al0.15Ga0.85N势垒层均不掺杂，GaN复合缓冲层由GaN Middle缓冲层和GaN Bottom缓冲层两个部分构成。为了降低GaN复合缓冲层的泄漏电流，GaN Middle缓冲层和Bottom缓冲层具有浓度分别为2×1016cm-3和4×1018cm-3的受主杂质。受主杂质的能级距离GaN导带0.9 eV处，即EV+0.9 eV，俘获截面为1.3×10-14cm-2。为了实现常关型器件，位于栅电极区域下方的Al0.15Ga0.85N势垒层和GaN沟道层被完全刻蚀。同时，采用Si3N4材料作为栅极介质，以降低器件的栅极泄漏电流。为了降低器件的衬底漏电，在仿真研究中去除了衬底。在新结构中，N型GaN埋层与GaN沟道层的间距设为D，埋层的长度设为LN，厚度TN固定为0.1 μm，N型GaN埋层的掺杂浓度为Nd。

通过Sentaurus公司的TCAD(Technology Computer Aided Design)仿真软件研究器件的电学特性。在二维器件仿真研究中，添加了一些GaN器件经常使用的物理模型，例如Auger复合和SRH(Shockley-Read-Hall)复合模型、迁移率模型、极化模型和碰撞电离模型等，这些模型已经在之前的研究中验证过[19]。

表1 结构的参数列表

2 结果与讨论

C-HEMT和N-HEMT的击穿特性和输出特性分别如图2和图3所示。器件的击穿电压定义为漏极泄漏电流达到1 μA·mm-1时的漏极电压。由图2可以看出：与传统结构C-HEMT相比，新结构N-HEMT的泄漏电流更低，因此具有更高的击穿电压。而两者的导通特性没有变化，新结构N-HEMT在保持导通电阻不变的情况下提高了器件的耐压能力。这是因为当器件处于关断状态时，N-GaN埋层可以起到调制器件电场分布的作用。降低高场区的电场峰值，处于高场区的碰撞电离程度减弱。因此器件的泄漏电流减小，器件的击穿电压得以提高。

图2 C-HEMT和N-HEMT结构的击穿特性

图3 C-HEMT和N-HEMT结构的输出特性

如图4所示，当器件关断且漏极电压为500 V时，N-HEMT在不同埋层长度LN时的沟道电场分布有所不同。当LN= 0 μm，即为C-HEMT时，器件栅场板附近的电场峰值较高。随着N-GaN埋层长度的增加，该电场峰值不断下降，这说明N-GaN埋层可以调制器件的电场分布，缓解栅场板附近的高电场，避免器件提前击穿，进而提高器件的击穿电压。由于引入的埋层为N型，没有影响到沟道中的二维电子气(Two Dimensional Electron Gas，2DEG)浓度分布，因此器件的输出特性不受埋层的影响。

图4 N-HEMT结构关断且漏极电压为500 V时的横向沟道电场分布

当C-HEMT和N-HEMT在关断状态时，其电势分布和横向沟道电场分布分别如图5和图6所示。由图5可以看出，与C-HEMT的电势分布相比，由于N-GaN埋层的调制效应，N-HEMT的电势分布受到了明显的调制，特别是在栅极和栅场板附近的下方区域。由图6可以看出，C-HEMT在栅漏之间的电场分布不均匀，特别是栅场板附近的区域具有较高的电场峰值，该区域的高电场使得载流子的碰撞电离程度加剧，使器件的泄漏电流较大，器件提前击穿。而对于N-HEMT，由于N-GaN埋层的调制效应，使器件栅漏之间的电场分布变得更加均匀。

(a)

图6 器件横向沟道电场分布

为了优化N-GaN埋层的参数，下面将分别研究N-GaN埋层的长度LN、掺杂浓度Nd及埋层与GaN沟道层间距D对器件电学特性的影响。由于BFOM是击穿电压的平方与特征导通电阻的比值(BV2/Ron,sp)[20]，而N-GaN埋层对器件的输出特性没有影响，所以BFOM的变化趋势与击穿电压保持一致，在后续分析中将不再给出各参数对应的BFOM变化趋势。

图7 埋层长度LN对N-HEMT击穿电压和导通电阻的影响

N-GaN埋层长度LN对器件的击穿电压和导通电阻的影响如图7所示。由图7可以看出，随着埋层长度LN的增加，N-HEMT的击穿电压先增大后逐渐降低，而导通电阻基本不变。这是因为随着N-GaN埋层长度的增加，埋层对电场起到了调制的作用，埋层的调制作用随着其长度的增加而逐渐增加。在LN=2.2 μm时，埋层的调制作用达到最强，击穿电压达到最大。随着埋层长度继续增加，埋层的调制作用开始减弱，器件的击穿电压开始降低。由于埋层的杂质为N型，不会对器件导电沟道中的2DEG浓度产生影响，因此埋层对器件的导通电阻没有明显的影响。根据图7中击穿电压的变化趋势，埋层长度LN的优值是2.2 μm。

图8 埋层浓度Nd对N-HEMT击穿电压和导通电阻的影响

N-GaN埋层浓度Nd对器件的击穿电压和导通电阻的影响如图8所示。由图8可以看出，当埋层掺杂浓度Nd的超过一定浓度时，N-HEMT的击穿电压会降低，而导通电阻基本不变。这是因为埋层掺杂的为N型杂质，会电离出电子。当器件处于关断状态时，施主杂质电离出的电子会使器件的泄漏电流增大，从而导致器件的击穿电压出现下降。结合工艺条件，当N-GaN埋层的掺杂浓度为1×1017cm-3时，器件就可以获得较高的击穿电压，N-GaN埋层掺杂浓度的优值为1×1017cm-3。

图9 埋层与沟道层间距D对N-HEMT击穿电压和导通电阻的影响

N-GaN埋层与GaN沟道层间距D对器件击穿电压和导通电阻的影响如图9所示。由图9可以看出，随着埋层与沟道层间距D的增加， N-HEMT的击穿电压逐渐增大，而导通电阻基本不变。这是因为N型GaN埋层会电离出相应的电子，当埋层离沟道层越近时，电离出的电子越容易进入到导电沟道中，使器件的泄漏电流逐渐增加，击穿电压相应地降低。由于N-GaN埋层对沟道2DEG浓度没有影响，因此器件的导通电阻不随D而变化。所以，当N-GaN埋层位于缓冲层的底部(D= 1.9 μm)时，可以获得较高的击穿电压。最终，当N-GaN埋层的长度LN、掺杂浓度Nd和埋层与GaN沟道层间距D分别为2.2 μm、1×1017cm-3和1.9 μm时，N-HEMT的击穿电压达到了892 V，输出特性不受影响。

3 结束语

本文提出了一种具有N埋层的AlGaN/GaN HEMT耐压结构，该埋层能够有效地调制电场，降低高场区的电场峰值，同时使得栅漏之间的沟道电场分布更加均匀，提高器件的击穿电压。TCAD仿真研究表明，与传统结构的击穿电压(530 V)相比，新结构的击穿电压提高了68%，达到了892 V，输出特性保持不变。这表明新结构在保持器件导通电阻不变的情况下，该方法可以有效提高器件的击穿电压，使得GaN材料充分发挥其耐高压、导通电阻低的优势。