GaN HEMT微波功率器件的击穿特性研究

周国友通信作者，陆志航，葛明昌

合肥工业大学，安徽合肥，230009

0 引言

现代移动通信、雷达、电子战装备等都离不开射频/微波收发系统，其中射频/微波功率放大器是射频/微波收发前端最重要的电路之一，同时也是最主要的成本支出和功率消耗。随着5G通信的发展与普及[1]，射频功率放大器的需求越来越广泛。通常情况下，设计功率放大器的基本要求为各项性能指标均要良好并综合平衡[2]。因此就需要提高功率放大器的相关性能指标，由于氮化镓高电子迁移率管（GaN HEMT）微波功率器件是目前主流射频大功率放大器的最重要组成部分，故本文的工作主要是围绕GaN HEMT微波功率器件的击穿特性进行研究。

GaN的优异材料性能增加了高功率和高频应用中基于AlGaN/GaN HEMT的需求，GaN的良好特性（例如：带隙大、更高的温度稳定性、更高的电子迁移率、良好的导热性）使其成为Si和GaAs的良好替代品。AlGaN/GaN异质结具有更大的能带差、更强的极化效应，在不进行任何掺杂的情况下，可以在GaN缓冲层靠近AlGaN势垒层一侧的量子阱中产生浓度高达1013/cm2的二维电子气（2DEG）。

然而，常规结构GaN HEMT器件的沟道中形成的电场分布不均匀，导致器件的实际击穿电压与GaN材料的理论击穿极限偏差较大。GaN HEMT器件也同样存在一些缺陷，包括材料、结构上的固有缺陷和加工制备过程中造成的其他缺陷。GaN HEMT器件的缺陷主要有材料的表面态缺陷、不同材料界面处的缺陷、材料内部的体缺陷，这些缺陷会导致GaN HEMT器件的输出电流和功率密度减小，严重影响器件的性能。因此，为了改善器件的击穿特性，尽可能地提高其击穿电压，对器件结构的研究便受到了格外的关注[3]。

1 器件结构与模型

AlGaN/GaN HEMT微波功率器件的结构如图1所示，从下往上连同衬底和三层外延结构一共有四层。最下面是厚度为20μm的SiC衬底层，在衬底上面外延生长厚度为1μm的GaN缓冲层，在缓冲层上面外延生长一层厚度为20nm的AlGaN势垒层。栅极长度为0.25μm，栅极金属与AlGaN势垒层为肖特基接触；源极和漏极金属与GaN缓冲层为欧姆接触。在源极、漏极下方和GaN缓冲层分别掺杂一些杂质，浓度分别为1018/cm3和1017/cm3，并且引入了栅场板、一重源场板和二重源场板，最后在电极、场板和AlGaN势垒层上再外延生长一层钝化层[4]。

图1 器件结构图

使用SILVACO TCAD进行器件的仿真，除了选择基本方程和数值计算方法外，物理模型选用费米统计模型、SRH复合模型、平行电场迁移率FLDMOB模型和极化模型等。网格设置十分重要且繁琐，合理的网格设置可以确保仿真结果的可靠性。在电极与半导体材料的接触面、导电沟道、材料掺杂、异质界面处通常需要设置相对密集的网格，而在后续的仿真过程中会出现数值迭代计算不收敛的情况，因此需要分析不收敛的原因，及时调整网格或数值迭代算法[5]。

2 仿真结果与分析

在对栅场板结构器件进行击穿特性仿真的时候，设置栅极反向偏置电压为-5V，仿真得出器件的阈值电压约为-3V，因此可以保证器件始终处于关断状态。图2所示为不同长度栅场板结构器件的击穿特性曲线，为了方便观察电流的变化趋势，将漏极电流取对数表示，定义击穿电压为漏极电流是10-8量级时的电压值。当器件栅极靠近漏极一侧没有场板时，击穿电压约为90V；在器件栅极靠近漏极一侧添加场板后，可以观察到击穿电压在逐渐增加；当栅场板长度达到0.95μm时，再增加栅场板的长度，击穿电压开始趋于不变，此时器件的击穿电压最大约为120V；继续增加栅场板到较长的长度，此时击穿电压会下降到比无场板结构器件的击穿电压还低。

图2 不同栅场板长度的器件的击穿特性曲线

图3详细地说明了击穿电压下不同长度栅场板器件导电沟道中的横向电场分布情况。对栅场板长度LGFP较短的器件，场板对沟道电场的调制优化作用较弱，难以有效地降低栅电极边缘的电场峰值。然而当栅场板长度LGFP不断增加时，沟道内电场的分布越趋于均匀，击穿电压也逐渐增加。从图中可以看出当栅场板长度LGFP为0.95μm、1.15μm时，电场分布最均匀，此时器件的击穿电压为最大值。然而当栅场板长度LGFP增加至1.95μm时，此时栅场板过长，与漏极的相互作用增强，导致沟道中的平均电场值降低，弱化了场板对沟道电场的调制作用，反而导致器件的击穿电压减小。

图3 不同栅场板长度的器件在击穿下的沟道横向电场分布图

图4所示为不同长度一重源场板结构器件的击穿特性曲线。当一重源场板的长度为0μm时，击穿电压约为90V；不断增加其长度，可以观察到击穿电压在逐渐增加；当长度达到0.8μm时，再增加一重源场板的长度，击穿电压开始趋于不变，此时器件的击穿电压最大约为106V；然后继续增加到较长的长度，此时击穿电压会下降到比长度为0μm时的击穿电压还低。

图4 不同一重源场板长度的器件的击穿特性曲线

图5所示为击穿电压下不同长度一重源场板器件的导电沟道中的横向电场分布情况，从图中可以看出，一重源场板对沟道电场的影响与栅场板类似。随着一重源场板长度的增加，沟道内电场的分布越趋于均匀，击穿电压也逐渐增加。从图中可以看出当一重源场板长度LSFP1为0.6μm、0.8μm和1μm时，电场分布最均匀，电场线关于X的面积分值最大，即器件的击穿电压为最大值。然而当一重源场板长度LSFP1增加至1.6μm时，此时源场板与漏极的间距较小，由于两者之间的相互作用增强导致一重源场板边缘的电场峰值显著降低，电场线下所包含的总面积也变得较小，反而导致器件的击穿电压减小。

图5 不同一重源场板长度的器件在击穿下的沟道横向电场分布图

在一重源场板优化的基础上，再引入第二重源场板，根据GaN HEMT工艺，第二重源场板采用M2层。图6所示为不同长度二重源场板结构的器件的击穿特性。从图中可以看出，二重源场板不能很显著地提高器件的击穿电压，这是由于二重源场板距离器件的导电沟道较远。通过增加其长度，器件的击穿电压增加了1～2V，二重源场板的优化长度值LSFP2为0.2～0.6μm。

图6 不同二重源场板长度的器件的击穿特性曲线

图7所示为击穿电压下不同二重源场板长度的器件的沟道横向电场分布。对比图中两个虚线椭圆内的曲线，当逐渐增加二重源场板的长度，左边椭圆内的电场线呈向下变化的趋势，而右边椭圆内的电场线则是相反的变化趋势。由此可以得出二重源场板也起到调制电场的作用，使得沟道内的电场更加均匀分布，但是由于其距离器件的GaN缓冲层导电沟道太远，对电场的调制作用非常有限，所以器件的击穿电压的变化趋势相对没有那么明显。

图7 不同二重源场板长度的器件在击穿下的沟道横向电场分布图

从以上的研究分析可知，影响击穿电压的三个主要变量参数为栅场板长度LGFP、一重源场板长度LSFP1、二重源场板长度LSFP2。栅极边缘靠近漏极一侧的电场主要受栅场板的影响，可以通过优化栅场板的长度LGFP来抑制峰值电场。所以，本文先固定栅场板的长度来调整栅极边缘的电场峰值，使其接近但不高于临界电场值。综合上述分析加仿真结果，栅极场板长度设置为0.25μm。同时，对于二重源场板的有效长度LSFP2也可以先确定下来，即二重源场板的有效长度LSFP2为0.2μm，所以在多重场板结构的器件仿真中，重点研究的参数是其中的一重源场板的长度LSFP1。

图8所示为多重场板结构的器件的击穿特性曲线，noFP表示没有场板时的击穿电压。从图中可以看出，随着一重源场板长度LSFP1的增加，器件的击穿电压的增长速度逐渐变缓。当一重源场板长度LSFP1为0.6μm时，此时器件的击穿电压达到饱和值110V。虽然优化后的多重场板结构器件的击穿电压没有单纯栅场板器件的最优值120V高，但这是综合考虑GaN HEMT微波功率器件的射频性能所取的折中值，因此相对于无场板结构的器件来说，优化后的多重场板结构的器件的击穿电压提升了约22%。

图8 多重场板器件的击穿特性曲线

图9所示为击穿电压下多重场板结构器件的导电沟道中的横向电场分布情况。由于器件结构中包含栅场板、一重源场板和二重源场板三种场板结构，所以沟道中的电场分布曲线会出现4个峰值，但是由于二重源场板对电场的调制作用很弱，所以在图中可以明显看到3个峰值，即除了栅极边缘的峰值外，在栅场板和一重源场板的边缘各会出现一个电场峰值。并且随着一重源场板长度的增加，沟道中的电场分布更加趋于均匀。

图9 多重场板器件击穿下的沟道横向电场分布图

3 结语

通过TCAD软件仿真GaN HEMT微波功率器件的二维电学特性，得出场板的优化规律。其中栅场板最优长度为0.95μm，最大击穿电压为120V。一重源场板最优长度为0.6～0.8μm，最大击穿电压为106V。二重源场板最优长度为0.2～0.6μm，双重源场板结构器件的最大击穿电压为107.5V。优化后的多重场板结构器件的栅场板长度为0.25μm、一重源场板长度为0.6μm、二重源场板长度为0.2μm，多重场板结构器件的击穿电压为110V，相对于无场板结构器件提高了约22%。