GaN_Si npn HBT 特性研究

董果香，李建清

(电子科技大学物理电子学院，成都610054)

GaN 半导体材料作为新型宽禁带材料，在光电领域和高功率高频电子器件方面有很大的应用［1］。在现有的工艺条件下，GaN 单晶尺寸很难生长较大，GaN 器件多以蓝宝石或SiC 为衬底［2］。GaN 与蓝宝石之间晶格失配达到15%，并且蓝宝石是绝缘材料，本身不导电，导热性差且与GaN 热膨胀系数差异较大。虽然SiC 衬底与GaN 之间晶格失配为3.5%，但SiC 材料加工困难且价格较为昂贵，这些原因限制了SiC 衬底的应用开发。Si 衬底和上面两种衬底相比，除了晶格失配和热失配较大外，具有质量高、尺寸大、成本低、导电性好等优点，并且Si 具有成熟的工艺，采用Si 作为GaN 基器件的衬底，可以将GaN 基器件集成到传统Si 基器件工艺中，因此Si 被认为是较为理想的GaN 衬底材料。随着在Si衬底生长GaN 单晶薄膜，GaN 基材料与器件有了较大发展［3－4］，Si 衬底GaN 基光电器件研制引人注目。

GaN/Si/Si 双极晶体管的发射结为异质结，比同质结具有更高的注入效率，产生了许多优良的性能，例如具有更高的载流子调制能力和更低的导通电阻。在HBT 掺杂分布中，基区掺杂大于发射区掺杂。高的基区掺杂带来了许多优点［5－6］。首先，低的基区电阻提高了截至频率，改善了电流集中。更高的基区掺杂也提高了Early(人名)电压，减小了大电流效应。低的发射区掺杂也带来了诸如禁带变窄的减小以及Cbe 降低等好处。本文利用Silvaco 软件对平面GaN/Si/Si－HBT 特性进行了仿真。

1 器件结构及物理模型

器件模拟以器件物理工作机理和合理高效准确的数值算法为基础，它是研究和预测器件性能的重要工具。本文采用Silvaco 软件，它能够仿真特定结构和偏压下半导体器件的物理性能，使用户更好的理解器件内部工作机理［7］。

本文所研究的GaN/Si/Si－HBT 结构如图1 所示，由于GaN 的禁带宽度比Si 的禁带宽度大得多，所以可使发射区掺杂浓度低于基区掺杂浓度。发射区和基区都是采用均匀掺杂，发射区掺杂为5×1018cm－3，宽度为0.15 μm，基区掺杂为2×1019cm－3，宽度为0.1 μm，结深为0.01 μm。集电区为带N－外延层的N+衬底，外延层厚度为0.5 μm，掺杂浓度为5×1016cm－3，衬底厚度为0.15 μm，掺杂浓度为2×1019cm－3。此结构是按照Si 衬底GaN 基材料垂直工艺水平所设计，使器件的各项性能达到最佳。

图1 HBT 器件结构

在模拟之前应对材料进行合理的建模，正确的模型是模拟的基础，包括能带模型，迁移模型，复合模型等，其中对GaN 和Si 的物理模型参数均来自最新的文献和试验结果。

在Silvaco 软件中BLAZE［8］模拟器可对各种特殊器件和材料进行模拟，包括HBT，HEMT，LED。对HBT 模拟时，必须明确两种材料导带和价带差异，即ΔEC和ΔEV。如果用户不指明，则软件默认为ΔEC=X1－X2和ΔEV=ΔEg－ΔEC。本文模拟选用默认值，其中X1是窄禁带材料电子亲和能，X2是宽禁带材料电子亲和能，ΔEg是两种材料能带差。

首先考虑不完全电离:

对于Si 和GaN 材料区域以上公式中各参数相同，参数值如下:GCB= 2，GVB= 4，EDB= 0. 044 eV，EVB=0.045 eV。

GaN 的能带模型为:

其中，T 是温度，单位为K，

Si 的能带模型为:

其中，T 是温度，单位为K，

GaN 的价带和导带有效状态密度NV和NC分别为2.51e19 cm－3和2.24e18 cm－3。Si 价带和导带有效状态密度NV和NC分别为1.04e19 cm－3和2.8e19 cm－3。

迁移率模型［9］对器件的研究十分重要，本文中迁移率模型为Silvaco 中的低电场迁移率模型中的恒迁移率模型和反型层迁移率模型FLDmob 的组合使用。

低电场恒迁移率模型为:

在Si 材料区中:在室温下，对于电子mμn=1 000，tμn=1.5;对于空穴:mμp=500，tμp=1.5。

在GaN 材料区中:在室温下，对于电子mμn=400，tμn=1.5;对于空穴:mμp=8，tμp=1.5。

而FLDmob 迁移率模型为:

在Si 材料区中对饱和速度VSn和VSp作如下修正，其中饱和速度如下［10］:

其中TNOMN·FLD=TNOMP·FLD=600 K。

以上各参数都有确定的值，其值请参考Silvaco用户手册chapter 3 Physics P115。

在GaN 材料区中直接给出饱和速度vSN=1.91×107cm/s，vSP=1×106cm/s

复合模型［11］为SRH 模型:

其中Si 的少数载流子寿命τp0=τn0=1×10－7s 由于GaN 少数载流子寿命相关材料未有精确值，所以全部设为与Si 的少数载流子寿命相同。其中ETRAP=0 eV。

2 结果及分析

如图2 所示，发射区是宽禁带，基区和集电区为窄禁带。发射结为异质结，由于价带的不连续性大于导带的不连续性，所以基区空穴注入效率小于发射区电子注入效率，HBT 电子注入效率和电流增益大幅提高。其中ΔEC=1.65 eV，ΔEV=1.70 eV。

图2 HBT 能带结构图

图3 是器件在Vce=3.6 V 时，器件的Gummel曲线，因为采用了GaN/Si 异质结，GaN 的禁带宽度较大，所以器件导通压降大约为2.5 V，大于采用Si的同质结的0.7 V。当Vbe＞2 V 时，发射结趋于导通，HBT 趋于放大状态，Vbe继续增大，发射结导通，HBT 处于放大状态。从图中还可看出，在Vbe较大变化范围，电流增益几乎是一个常数。当Vbe＞3 V时，由于大注入造成的基区变宽和电流集边，使Ib和Ic趋于饱和。

图3 当Vce=3.6 V 时HBT 的Gummel 曲线

在仿真输出特性曲线时，对基极采用电流控制，基极电压大约在1.2 V。当集电极电压从0 V 开始增大，由于Vb=1.2 V，所以集电结导通，发射结关断，所以集电极上增加的电压大部分落在在发射结上，使发射结上电压上升。当Vce=1.8 V 左右，落在发射结上的电压大于发射结开启电压，发射结导通。集电极电压继续增大，HBT 先后进入饱和区和发大区。所以如图4 所示观察到Vce=1.8 V 时，集电极电流明显上升，即输出特性具有一定的开启电压，较大的开启电压，增大了器件的功耗，降低了HBT 输出电压摆幅。当Ib=2×10－4A 时，Ic大约是0.02 A，增益大约为100 倍。

图4 共射极输出特性曲线

从图5 可以看出器件的击穿电压大约为900 V左右，远大于Si 晶体管的击穿电压，这是由于采用异质结的缘故，可见宽禁带发射区HBT 在功率器件方面用很大应用前景。如果采用双异质结晶体管，即DHBT，在击穿电压方面有更进一步的提高，但是由于基区和集电区导带不连续形成的势垒，对基区电子到集电区漂移产生较大影响，这个问题需要考虑。

图5 器件击穿特性曲线

图6 是Vce=3.8 V，Vb=3.0 V 下得到的，最大增益为39.3 dB，随着频率的上升，增益保持不变，当频率为1 GHz 时，增益开始下降，当频率为80 GHz 时，增益为0 dB。频率从0 Hz 到1 GHz，增益一直保持39.3 dB，具有较宽的频带宽度。此器件可工作在射频频段。

图6 电流增益随频率变化

图7 表明了器件截止频率随工作电流的变化关系。在集电极电压恒定时，ft 最开始随电流Ic增加而上升，达到极大值后，再随着Ic的增加而下降。开始随着电流Ic增加ft 上升，这正好符合双极晶体管截止频率计算公式中延迟时间与电流关系。当电流进一步增大到超过某一临界值后，大电流下的基区变宽效应使基区渡越时间增加，从而导致ft 减小。

图7 HBT 的截止频率随频率变化

3 结论

本文用器件模拟软件Silvaco 模拟了GaN_Si HBT，详细列举了模拟所用的物理模型和参数，包括能带模型，迁移率模型，复合模型等。得出了器件能带结构，Gummel 曲线，输出特性曲线，击穿电压和截止频率并对对器件的物理机理作出了解释和分析。由于目前还没有GaN_Si HBT 研究报道，本文对其进一步理论研究和器件制造具有指导意义，而且对Si衬底GaN 基器件的发展具有较大指导意义。

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