具有均匀凹槽势垒结构的横向AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管

田 雨， 陈永和， 代一丹， 刘子玉， 马 旺

(桂林电子科技大学 广西精密导航技术与运用重点实验室，广西 桂林 541004)

近十年来，氮化镓(GaN)电子器件在微波、功率应用中受到了越了越多的关注[1-2]。氮化镓(GaN)成为第三代化合物半导体材料中的佼佼者，其宽禁带(3.4 eV)、高临界击穿场(3.4 MV/cm2)、高饱和电子速度使AlGaN/GaN HEMT器件能够在较宽的温度范围内正常工作的同时，增加器件的击穿电压[3-4]。由于GaN与AlGaN接触形成突变异质结，在GaN上表面的量子阱中存在大量在垂直方向运动受限的自由电子，导致电子浓度(>1×1013cm-2)和迁移率较高(1 000～2 000 cm/V·s)[5-7]。因此，AlGaN/GaN HEMT器件电流密度较大，导通电阻较低[8-9]。AlGaN/GaN基晶体管的击穿电压限制了器件的最大输出功率，降低了器件的可靠性，从而限制了GaN基器件的应用[10]。为了实现高功率的应用，提高AlGaN/GaN HEMT器件击穿电压是一种直接有效的手段，如场板技术[11-14]、轻掺杂漏HEMTs新结构[15-16]、降低表面电场(RESURF)技术[17-18]、AlGaN/GaN/ AlGaN双异质结构HEMTs等[19-20]。

通常AlGaN/GaN HEMT器件在反向阻断和漏极正高压的状态下，在器件的栅电极靠近漏电极一侧边缘存在一个数值相对较大的峰值电场，在这个峰值电场的作用下，器件内部发生提前击穿，从而直接影响其在功率器件应用领域内的性能指标。因此，通过降低该峰值电场，调节器件电场重新分布，使调节后的表面电场相对均匀分布，是一种提升击穿电压十分重要的技术。为了降低器件栅极右侧边缘的高峰电场，Si基器件采用场板技术，利用场板金属对介质层中电荷具有吸引作用，场板下方与器件接触的表面会有大量负电荷被吸引，从而降低栅极边缘耗尽区边界的弯曲程度。但是采用该技术降低器件栅极边缘高峰电场，提升器件击穿电压，同时会引入额外的寄生电容，影响器件的频率性能。此外,利用横向和纵向的PN结，通过调节器件结构参数使器件击穿发生在纵向PN结的RESURF技术也被广泛应用。但用于Si基提升器件耐压的技术与AlGaN/GaN HEMT器件的机理有区别，导致在AlGaN/GaN HEMT器件设计中不能直接移植。

鉴于此，提出一种高击穿电压的均匀凹槽势垒AlGaN/GaN HEMT器件结构。该器件在栅电极与漏电极之间引入均匀凹槽AlGaN势垒，通过改变势垒层凹槽的深度调节AlGaN/GaN异质结的极化强度，从而调节栅极与漏极间区域沟道内的2DEG浓度。利用沟道内2DEG浓度分布调节器件表面电场，从而提升器件耐压性能。用Silvaco TCAD仿真软件对均匀凹槽势垒结构AlGaN/GaN HEMT的关态I-V特性、表面温度特性、正向特性等器件电学及温度性进行仿真，并对器件的仿真参数进行优化。仿真结果表明，与常规的AlGaN/GaN HEMT器件相比，具有均匀凹槽势垒结构的AlGaN/GaN HEMT在击穿电压等方面表现出明显的优势。

1 器件结构

图1为UGB-HEMT结构图的截面图，材料从下到上依次为硅衬底、3 μmGaN缓冲层、20 nm Al0.3Ga0.7N势垒层、介质为Si3N4的钝化层，栅极漏极间引入4个均匀分布的凹槽型势垒。

图1 UGB-HEMT结构截面图

2 器件仿真参数及物理模型

仿真中涉及到的相关器件参数如表1所示。仿真中ATLAS设置的部分模型：Shockley-Read-Hall复合模型、俄歇复合模型、迁移率模型、费米模型。碰撞电离模型采用Impact Selb模型，其表达式为

α0exp(>-Ec/E)，

其中：α0为碰撞电离系数，α0=2.9×108cm-2,E为电场强度，Ec=3.4×107V/cm[21-23]。

表1 仿真过程中涉及到的器件相关参数

2DEG浓度对AlGaN/GaN HEMT器件性能参数具有很重要的影响，其浓度与影响AlGaN层应变大小的AlGaN厚度以及Al组分x有直接关系，不同的势垒层厚度与Al组分x、器件沟道2DEG浓度有较大差异。为了能够精确模拟出AlGaN/GaN异质结处由于极化效应形成的2DEG浓度，室温下势垒层Al组分x为0.3时，2DEG浓度随势垒层厚度变化的关系曲线[24]如图2所示。从图2可看出，在势垒层小于5 nm时，沟道基本没有2DEG， AlGaN层厚度增加，AlGaN层极化强度增加，2DEG浓度也随之开始迅速增加，当AlGaN层厚度达到一定值后，沟道各种散射机制强度增加，导致2DEG浓度的增加幅度开始放缓。

图2 室温下2DEG浓度随Al0.3Ga0.7N厚度的变化曲线

3 仿真结果与讨论

图3为C-HEMT与UGB-HEMT的关态I-V特性曲线。当栅极电压VGS=-8 V，源极的电子通过缓冲层流入漏极形成的漏极源极电流达到1 mA/mm时，漏极与源极的电压即为击穿电压(BV)。从图3可看出，C-HEMT的击穿电压仅有260 V，而UGB-HEMT的击穿电压高达821 V；UGB-HEMT的平均击穿电场高达0.82 MV/cm，与常规HEMT结构0.26 MV/cm的平均击穿电场相比，提升了215%。

图3 C-HEMT与UGB-HEMT关态I-V特性曲线

图4为UGB-HEMT与C-HEMT在临界击穿电压时的电势分布。从图4可看出，C-HEMT器件栅极右侧电势线分布较密集，而栅极与漏极之间的整个区域电势线则分布稀疏，表明其耐压性能不理想。主要原因是常规HEMT器件沟道均匀分布着高浓度的2DEG，当器件反向阻断时，在漏极正高压下，漂移区电场强度不能完全耗尽沟道内均匀分布的高浓度2DEG。对于新型UGB-HEMT器件，由于栅极漏极之间引入4个均匀分布的凹槽AlGaN势垒层，形成低浓度的2DEG区域，使耗尽区的扩展比常规HEMT结构更加容易。因此，UGB- HEMT结构栅电极到漏电极在水平方向上等势线均匀分布，这表明器件在水平方向的单位长度上可以承担更多的等势线。所以UGB-HEMT结构具有较高的击穿电压。

图4 两种结构在临界击穿电压下的电势分布

图5为击穿条件下y=0.021处AlGaN/GaN HEMT器件表面电场分布。从图5可看出，C-HEMT在栅极右侧边缘处存在一个高峰电场，沿栅极指向漏极的方向，电场逐渐降低。器件在反向阻断状态下，栅极的肖特基结反偏，随着漏极正偏压逐渐升高，漂移区内扩展的耗尽区场强逐渐增加，高电场峰值处碰撞电离十分明显，会产生大量的电子空穴对，易发生雪崩击穿[25]。AlGaN/GaN HEMT器件C-HEMT结构击穿一般发生在栅极右侧边缘沟道缓冲层GaN中，降低其电场峰值是提升击穿电压的一种重要技术。UGB-HEMT结构的电场分布与传统结构的明显不同之处在于，其可降低栅极电场峰值，提升从栅极到漏极的整体表面电场，并在漏极区域形成新的高峰电场。这是由于均匀凹槽AlGaN势垒层降低了耗尽区沟道内部分2DEG浓度，使器件沟道2DEG呈凹槽台阶状分布。相比于原本的均匀分布，台阶状的低浓度2DEG对辅助耗尽区扩展更加有利。因此，击穿电压从常规结构的260 V提升到新结构的821 V。

图5 击穿条件下表面电场分布

图6为常规HEMT结构器件与UGB-HEMT结构器件正向特性曲线。当漏极与源极电压VDS=15 V时，栅极电压从-8 V增加至1 V，得到常规HEMT结构器件和UGB-HEMT结构器件转移和跨导特性曲线，如图6(a)所示；栅极与源极电压VGS分别为-4、-2、-1、0和1 V时，漏极电压从0增加至25 V，得到常规HEMT结构器件和UGB-HEMT结构器件的输出特性曲线，如图6(b)所示。从图6可看出，UGB-HEMT结构器件的最大输出电流与常规HEMT结构器件相比有略微减小，UGB-HEMT结构器件的跨导Gm的最大值与常规HEMT结构器件相比有所下降，同时UGB-HEMT结构器件在跨导Gm达到最大值后，下降速度比常规HEMT结构器件快得多。这表明UGB-HEMT结构器件对栅极控制能力及放大能力比常规HEMT结构器件有所下降。AlGaN/GaN HEMT器件的最大输出电流与沟道二维电子气浓度基本呈正相关，栅极与漏极之间引入的凹槽AlGaN势垒层降低了沟道2DEG密度，最大输出电流从常规HEMT结构的1 330 mA/mm降低到UGB-HEMT结构的1 280 mA/mm，减小了3.8%。

图6 UGB-HEMT结构器件和C-HEMT结构器件的正向特性曲线

图7为VGS=1 V，VDS=15 V，y=0.021时，常规HEMT结构和UGB-HEMT结构的表面温度分布。从图7可看出，常规HEMT结构的表面温度从源极的318 K开始快速增加，在栅极边缘漏极一侧达到最大值343 K，然后逐渐降低至漏极的312 K。UGB-HEMT结构的表面温度曲线类似于一条弧线，从器件源极的312 K开始逐渐增加，在栅极与漏极间存在最大值，之后渐渐下降到漏极的315 K，其中栅极与漏极间表面温度的最大值为327 K。从图7还可看出，常规HEMT结构栅极343 K和漏极312 K的将近30 K的温度波动，会影响器件工作状态下的性能，而UGB-HEMT结构表面温度从器件源极到漏极的分布更加均匀，整个器件的表面温度波动范围不大，能够保证器件在工作状态下不会因为器件温度分布不均匀而导致器件整体性能下降。

图7 常规HEMT结构和UGB-HEMT结构温度分布

图8为H和L与击穿电压的变化关系。从图8可看出，随着凹槽深度H的增加，击穿电压BV都是先缓慢增加，当凹槽深度H增加到一定值后，击穿电压BV开始快速增加，达到最大值后逐渐降低。凹槽长度L越大，击穿电压随凹槽深度H增加而迅速升高。从图8还可看出，当凹槽长度L=1 μm、凹槽深度H=11 nm时，器件的击穿电压取得最大值，为821 V。

图8 击穿电压与凹槽长度L、凹槽深度H之间的变化曲线

图9为凹槽深度H和凹槽长度L与比导通电阻Ron的变化关系。由图9可看出，凹槽长度L=0.5 μm时，凹槽深度H从15 nm增加到16 nm的过程中，导通电阻Ron上升了20多倍，这种现象的原因是凹槽深度H过大，导致器件用于极化效应产生2DEG的AlGaN势垒层太薄，凹槽区域对应沟道内2DEG浓度下降较多。随着凹槽深度H的增加，比导通电阻Ron也逐渐呈线性增加，当凹槽深度H增加到一定值后，比导通电阻Ron开始快速增加。凹槽长度L值越大，比导通电阻值也越大。

图9 比导通电阻与凹槽长度L、凹槽深度H之间的变化曲线

图10为不同凹槽间距W和凹槽深度H下器件的FOM变化曲线，从图10可看出，每条曲线都是随着凹槽深度H的增加先逐渐增加，当凹槽深度H到达一定值后，FOM开始快速增加，取得最大值后开始不同程度降低。凹槽间距W越大，取得最大FOM值对应的凹槽深度H也越大。当凹槽间距W=1.5 μm时，FOM曲线在取得最大值后下降速度很快，是由于取得最大FOM值后，当继续增加凹槽深度H，器件极化效应的势垒层很薄，沟道2DEG浓度下降幅度较大，器件比导通电阻Ron上升太快。

图10 不同凹槽间距W和凹槽深度H下器件的FOM曲线

4 结束语

根据分析可知，导致器件击穿的一方面原因是器件沟道电场分布不均匀,且主要集中在栅极右侧边缘。针对上述器件提前击穿的原因，提出一种具有均匀凹槽势垒的横向AlGaN/GaN HEMTs器件结构。在器件栅极和漏极间引入均匀分布凹槽AlGaN势垒层，降低凹槽区域极化强度，从而形成利于耗尽区快速扩展至低浓度的2DEG区域。利用电场调制效应，降低栅极右侧高峰电场，提高栅漏间区域整体表面场，并在漏极区域形成新的高峰电场，使器件的表面电场分布更加均匀，击穿电压从常规HEMT结构的260 V提高到UGB-HEMT结构的821 V，提升了215%。同时，降低了器件工作状态下栅极局部高温导致器件失效的可能性，提高了器件的稳定性和可靠性。