GaN HEMT微波功率器件的热电子效应及结构优化

陆志航，葛明昌，周国友

合肥工业大学，安徽合肥，230000

0 引言

近年来，随着半导体技术的发展，无线通信行业也迎来了巨大的变革，无线通信模块、卫星通信、雷达以及电子对抗等都离不开射频前端组件。对于整个射频前端组件，射频功率放大器是其中最重要的电路，直接影响着整个射频前端系统的饱和输出功率、带宽和功耗等重要射频性能指标。GaN HEMT微波功率器件优越的电学和热学性能使其在高频射频功率放大器领域有所发展，带来了高功率和宽频带射频功率放大器能力的突破。GaN材料由于其高电子迁移率、宽禁带、高电子饱和度、高击穿电压以及高热导率等优良的物理特性[1]，极大地弥补了之前两代Si、GaAs半导体器件在高温、高功率和高频等方面的不足。GaN HEMT器件作为GaN材料的重要应用，已经在航空航天和5G移动通信基站[2]等方面扮演着极其重要的角色，为下一代高频通信网络带来了更高的功率输出、更理想的线性度和更低的功耗等性能条件[3]。

然而由于GaN材料的独特性，GaN HEMT微波功率器件的可靠性问题仍然是人们重点关注和积极研究的对象，特别是半导体器件在高温和高功率的运行条件下，热电子效应导致器件性能退化已经成为应用中的关键影响因素。

1 热电子效应

AlGaN/GaN HEMT的器件结构类似于MOSFET，两者都是通过对器件施加栅极偏压来控制器件沟道导通电阻的方式即沟道的导通与关断，实现对三端器件（如HEMT等）的控制。但AlGaN/GaN HEMT器件可以在不掺杂的情况下产生高电子迁移率的二维电子气，其主要原理是在AlGaN/GaN异质结界面处，由于压电极化效应和自发极化效应的综合极化效应形成较强的内建电场，如图1所示，会影响AlGaN/GaN异质结材料的能带结构，造成的能带差ΔEc会使得异质结界面的GaN一侧形成又深又窄的量子阱，可吸引大量材料中的自由电子集聚在量子阱中，从而产生高浓度的2DEG。

因此在热电子效应中，GaN HEMT在一定的直流电应力下，器件沟道中的电子会在电场的作用下吸收能量，当吸收的能量较多时，电子的散射作用会将多余的能量传递给不同晶格以及其他电子，从而达到一种平衡状态。如图1所示，电子在沟道强横向电场作用下，电子加速使其获得了极大的动能，此时电子获得的能量大于电子释放传递的能量，称之为高能热电子。这些高能热电子由于其能量较大，会脱离异质结界面GaN一侧的量子阱的束缚，开始在垂直方向运动，从而跃出AlGaN/GaN量子阱势垒，向其他如缓冲层和介质层等材料层中的陷阱填充，还会与材料晶格碰撞并且在半导体材料中形成新的陷阱，从而导致HEMT器件的电学性能产生退化[4]，如漏源饱和电流降低、阈值电压正向漂移和跨导降低等。所以在器件可靠性问题中，热电子效应已经成了半导体科研领域的主要研究对象。

图1 AlGaN/GaN HEMT能带与热电子效应示意图

2 热电子应力退化研究

本文研究的AlGaN/GaN HEMT微波功率器件从下至上分别有五层结构，器件的纵向结构参数包括：第一层是厚度为19μm的6H-SiC衬底；第二层是在6H-SiC衬底层上外延生长的一层厚度为1μm的GaN缓冲层；第三层是厚度为0.025μm的AlGaN势垒层，其中Al组分为28%；第四层是将金属材料电极制作在外延层中；第五层是厚度为0.5μm的Si3N4钝化层。器件的横向结构参数包括：栅极长度LG为0.25μm；栅极和源极的距离LGS为0.8μm；栅极和漏极的距离LGD为3μm。

在热电子应力研究之前，在TCAD中设置陷阱位置、陷阱类型、陷阱浓度以及陷阱能级，并且需要定义电子俘获截面，以达到仿真期间中陷阱由热电子填充的目的，从而导致器件电学特性的变化。本文在AlGaN势垒层、GaN缓冲层以及AlGaN势垒层表面添加陷阱，陷阱类型均设置为受主陷阱，陷阱浓度大小均选择为5×1011cm-2[5]，陷阱能级均选择为深能级0.6eV[6]。选择半开态应力进行器件热电子应力前后对器件输出特性的研究，应力条件为：栅源电压VGS为-1.52V，即此时器件沟道处于半开启状态，漏源电压VDS为从0V扫描到30V，应力时长分别为1s、10s、100s、1000s、10000s。

如图2所示，为器件在施加热电子应力前后，器件输出特性随应力时间发生的变化。图中热电子应力时长1s、10s、100s、1000s和10000s，对应半开状态下的AlGaN/GaN HEMT器件漏源饱和电流IDS（sat）分别为318.82mA/mm、255.73mA/mm、170.83mA/mm、123.17mA/mm和107.21mA/mm，相对于器件热电子应力前的漏源饱和电流（350.43mA/mm）分别退化了9.1%、27.0%、51.2%、64.8%和69.4%，即热电子应力时间从1s增加到10000s，器件饱和输出电流的退化量也随着应力时间变大，并在长时间应力下输出特性退化速度趋于平缓[7]。

图2 热电子应力前后器件的输出特性和转移特性

下面对器件热电子应力下的转移特性退化情况进行研究，应力条件为：栅源电压VGS从-4V扫描到0V，漏源电压VDS为28V，应力时长分别为1s、10s、100s、1000s、10000s。如图2所示，器件在施加热电子应力前后，转移特性随应力时间发生了较大的变化。热电子应力时长1s、10s、100s、1000s和10000s，对应的AlGaN/GaN HEMT器件的阈值电压Vth大小分别为-3.01V、-2.76V、-2.49V、-2.27V和-2.18V。相对于器件热电子应力前的阈值电压Vth（-3.08V）分别退化了2.3%、10.4%、19.1%、26.3%和29.2%。对比器件热电子应力前的阈值电压，可以观察到HEMT器件在热电子应力后，Vth显著发生正向漂移[8]，并在长时间应力下阈值电压正向漂移现象趋于稳定，这是由于随着热电子应力时间增加，高能热电子脱离器件异质结界面的量子阱并被材料的受主类型陷阱俘获，填充的半导体材料的受主类型陷阱达到平衡状态，从而离化的受主类型陷阱对沟道二维电子气耗尽引起的电学特性退化也达到了平衡状态。

3 源场板结构AlGaN/GaN HEMT器件研究

本节针对热电子效应引起AlGaN/GaN HEMT器件电学性能退化的结果，提出一种AlGaN/GaN HEMT器件源场板结构，对加入场板结构后的器件进行TCAD电学仿真，研究场板结构对器件热电子效应的影响，并提出优化器件结构的方案，从而有效抑制热电子效应引起的器件电学特性的退化行为。

在源场板结构中，场板与源极金属材料相连接并延伸到HEMT器件栅极与漏极之间上方区域，通过场板在靠近漏极金属一侧创造一个电场峰来调制栅极与漏极之间的电场，极大降低栅极边缘电场峰值，并且扩展整个器件的电场分布和使电场平滑化，从而降低器件沟道中因横向高场应力加速获得极大能量的热电子数量，抑制器件的高能热电子填充半导体材料中陷阱的现象，减小器件如输出电流降低和阈值电压正向漂移降低的退化量，优化器件性能[9]。

3.1 源场板结构AlGaN/GaN HEMT器件参数优化

如图3所示，源场板下端到AlGaN势垒层表面的距离HFP为50nm、100nm、150nm和200nm对应的器件栅极下方沟道沿X轴方向的电场峰值分别为8.37×105V/cm、9.59×105V/cm、10.98×106V/cm和12.03×106V/cm，相比于无场板结构器件沟道电场峰值（1.44×106V/cm）均有所降低[10]。其中源场板距离势垒层表面为200nm的器件，由于场板靠近漏极边缘的电场峰值离AlGaN势垒层表面的距离较大，因此无法对AlGaN/GaN HEMT器件的沟道电场起到较大的调制作用。场板距离势垒层为150nm的器件沟道在靠近场板边缘处有较小的电场，因此，为了使源场板达到调节电场分布并降低栅极下方沟道电场峰值的效果，HFP需要取较小的值，即源场板下端到AlGaN势垒层表面的距离较小。

图3 不同源场板高度与长度器件沟道电场分布情况

源场板长度LFP为1.2μm、1.6μm、2.0μm和2.4μm，对应的器件栅极下方沟道沿X轴方向的电场峰值大小分别为8.50×105V/cm、9.21×105V/cm、9.32×105V/cm和8.43×105V/cm，相比于无场板结构器件沟道的电场峰值均有所降低。当AlGaN/GaN HEMT源场板长度LFP为1.2μm时，由于场板靠漏极一侧边缘的电场峰值接近器件栅极边缘的电场峰值，因此对沟道的电场范围调制不均匀。源场板长度LFP为2μm时，源场板对沟道电场峰值的调制效果较好，此时源场板下方的电场峰值最低，并且沟道沿X轴方向的电场分布较为均匀。

3.2 源场板结构器件热电子应力退化研究

本小节将针对源场板结构AlGaN/GaN HEMT器件通过仿真研究在热电子应力下器件的电学性能退化行为，并与前文无场板结构器件的仿真结果相比较。在TCAD中所使用的AlGaN/GaN HEMT微波功率器件基本结构与前文所使用的器件结构完全一致，并且综合前文不同源场板结构器件对栅极下沟道电场峰值的调制优化效果，如图4所示，在原本的HEMT器件中增加长度LFP为2μm和源场板下端到AlGaN势垒层表面的距离HFP为50nm的源场板结构，热电子应力与前文一致。

图4 源场板AlGaN/GaN HEMT器件结构

如图5所示为源场板结构器件在半开状态下热电子应力10s内的输出特性和转移特性。其中漏源饱和电流IDS（sat）为274mA/mm，与前文相同热电子应力条件下的无场板结构HEMT器件相比，源饱和电流退化量从27.0%下降到了20.9%。同样的热电子应力下，阈值电压Vth发生了正向漂移现象，Vth的大小为-2.83V，与无场板结构AlGaN/GaN HEMT器件相比，阈值电压的正漂现象从10.4%优化到了6.9%。

图5 热电子应力前后源场板结构器件的输出特性和转移特性

4 结语

本文针对AlGaN/GaN HEMT微波功率器件的热电子效应进行了研究，并提出了一种HEMT器件源场板结构，能够抑制热电子效应，从而优化器件性能。相信随着AlGaN/GaN HEMT微波功率器件热电子效应的深入探究与优化，未来HEMT器件将在航空航天和5G移动通信基站等多领域扮演着更加重要的角色，为国家科技战略以及国防事业做出卓越的贡献。