p 型栅结构氮化镓基高电子迁移率晶体管结构优化

葛 梅，李 毅，王志亮，朱友华

（南通大学 信息科学技术学院，江苏 南通 226019）

氮化镓（GaN）属第三代半导体材料，具有禁带宽度大、电子饱和速度高、且具有耐高温、耐高压、抗辐射等优良特性，是制备电力电子器件的理想材料[1-2]。基于GaN 材料的高电子迁移率晶体管（high electron mobility transistor，HEMT）在高温、高频、大功率领域具有广阔的应用前景。其中，AlGaN/GaN异质结是GaN 基HEMT 器件的基本结构。由于GaN 材料独特的自发极化和压电极化效应，GaN 基HEMT 器件沟道处天然存在高浓度的二维电子气（2DEG）[3]。因此传统的GaN 基HEMT 器件在零栅偏压下处于导通状态，开启电压为负值，是常开型（耗尽型）器件。而为了简化后期栅极驱动电路的设计，降低成本，工业界更需要常关型（增强型）器件[4]。

实现增强型器件的原理在于耗尽AlGaN/GaN异质结处的2DEG，这可以通过器件工艺来实现，目前实现增强型器件的方法有：薄势垒层[5]，凹槽栅工艺[6]、氟离子注入[7]和p 型栅结构[8-10]。其中，p 型栅技术是通过在势垒层上生长一层p-GaN 来耗尽沟道处的2DEG，这种方法工艺可控性强，能够大规模重复生产，且能够制备出高阈值电压、低漏电流的器件，是极有发展前景的一种增强型方法。

在p 型栅结构GaN 基HEMT 器件中，AlGaN/GaN 异质结是器件的主要结构，沟道处形成的2DEG 的浓度和迁移率是影响器件性能的关键。AlGaN 势垒层中Al 组分的选择会对器件性能造成影响。提高Al 组分能够提高器件中输出电流及跨导[11]，且能够降低器件的低频噪声[12]。然而一味地提高Al 组分也会对器件造成消极影响，研究发现高Al 组分会造成石墨烯AlGaN/GaN HEMT 器件栅极反向电流增大[13]。Al 组分的选取不仅会影响沟道中2DEG 的输运，浓度及迁移率[14]，也会影响半导体材料的应力[15]及肖特基势垒高度[16-17]。因此Al 组分的选取对GaN 基HEMT 器件的性能尤为重要。同时，当AlGaN 势垒层厚度越薄时，HEMT 器件接触电阻越小，但是薄势垒层会最终耗尽沟道2DEG，并且加大了电极接触难度[18]。因此，对于器件中AlGaN 势垒层厚度选择需要进一步优化。

本文通过Silvaco TCAD 软件仿真p 型栅结构GaN 基HEMT 器件直流特性，对AlGaN 势垒层厚度及其Al 组分进行优化，致力于提高器件阈值电压及输出饱和电流。同时，通过仿真器件关态时的能带结构及开态时沟道中的电子浓度，进一步分析Al 组分及AlGaN 势垒层厚度对器件性能影响的物理机制。

1 器件结构设计

如图1 所示为p 型栅结构GaN 基HEMT 器件结构图，包含一个50 nm 的p 型GaN 盖帽层，其中p 型GaN 中空穴浓度设为3 × 1017cm-3，用来调节AlGaN/GaN 异质结能带结构，耗尽沟道中的二维电子气（2DEG），使器件达到增强型性能。器件结构还包括一个厚度及组分可调的AlGaN 势垒层，及一个2 μm 的非故意掺杂GaN 缓冲层，其背景载流子浓度为1 × 1016cm-3。器件的源漏电极与GaN 层之间为欧姆接触，栅极与p 型GaN 之间为肖特基接触。器件栅长设为1 μm，栅源之间距离设为1 μm，栅漏之间距离设为6 μm[19]。

图1 p 型栅结构GaN 基HEMT 器件结构图Fig.1 Cross-sectional schematic of the p-GaN gate AlGaN/GaN HEMT

2 结果与讨论

2.1 仿真介绍

本文采用Silvaco TCAD 软件对p 型栅结构GaN 基HEMT 器件进行模拟，主要研究方法是利用泊松方程和载流子连续性方程用计算机进行模拟计算，采用牛顿迭代法求解非线性代数方程直到自洽。文中采用Schockley-Read-Hall 复合模型来模拟器件中的缺陷效应[20]；考虑到GaN 材料的自发极化和压电极化效应，引入极化模型[21]；采用低场迁移率模型及氮化物高场迁移率模型用来模拟电子的散射机制[22]。本文仿真中的温度默认为室温。

2.2 器件结构优化

首先，我们研究AlGaN 势垒层厚度及其Al 组分对p 型栅结构GaN 基HEMT 器件阈值电压的影响。如图2（a）所示为3 种不同Al 组分条件下P 型栅结构GaN 基HEMT 器件的转移特性曲线，漏端电压（VD）设置为5 V，栅极电压为0～7 V。Al 组分分别设为0.25，0.27 和0.29，这3 种Al 组分对应的器件阈值电压分别为0.9，0.6 和0.4 V（阈值电压取曲线线性部分与横轴的交点）。因此，随着Al 组分的增加，器件阈值电压减小。图2（b）为3 种AlGaN 势垒层厚度条件下p 型栅结构GaN 基HEMT 器件的转移特性曲线，同样地，漏端电压设为5 V，栅极电压为0～5 V。由图可知，当AlGaN 势垒层厚度为15，20 和25 nm 时，对应的器件阈值电压分别为1.4，0.6 和0.1 V。因此器件的阈值电压随AlGaN 势垒层厚度的增加而减小。

图2 不同条件下的p 型栅结构GaN 基HEMT 器件转移特性曲线图Fig.2 Transfer characteristics of the device with different Al mole fractions and different thicknesses of the p-GaN gate AlGaN barrier

我们还研究了AlGaN 势垒层厚度及其Al 组分对p 型栅结构GaN 基HEMT 器件输出特性的影响。如图3（a）所示为3 种不同Al 组分情况下器件的输出特性曲线，其中栅极电压（VG）设为5 V，漏极电压为0～35 V。当漏极电压逐渐增大时，漏端电流逐渐增大并趋于饱和。这是由于随着漏端电压增大，在栅极电压不变的情况下，沟道中的电子逐渐被吸引到漏端，导致漏端电流增大。而当漏端电流大到一定程度时，沟道中所有电子都被吸引到漏端，此时的漏端电流为最大输出饱和电流。我们取栅压为5 V，漏端电压为30 V 时的漏端电流为器件最大输出饱和电流，由图3（a）可知，当Al 组分为0.25，027，0.29 时，器件最大输出饱和电流分别为0.20，0.23 和0.25 A/mm，因此器件最大输出饱和电流随Al 组分的增加而增加。同样地，我们给出了3种不同AlGaN 势垒层厚度情况下器件的输出特性曲线，栅极电压设置为5 V，漏极电压为0～35 V。如图3（b）所示，当AlGaN 势垒层厚度为15，20 和25 nm 时，器件最大输出饱和电流分别为0.20，0.23和0.26 A/mm，因此器件最大输出饱和电流随Al-GaN 势垒层厚度的增加而增加。

图3 不同条件下的p 型栅结构GaN 基HEMT 器件输出特性曲线图Fig.3 Output characteristics of the device with different Al mole fractions and different thicknesses of the p-GaN gate AlGaN barrier layer

图4（a）给出了Al 组分与器件阈值电压、最大输出饱和电流之间的关系。由图可知，当Al 组分增加时，器件阈值电压减小，而最大输出饱和电流增加。通常，我们需要阈值电压更大的器件使器件能够在高热量情况下正常工作，而更大的输出饱和电流则表明器件具有更大的输出功率。因此，我们需要通过优化器件结构得到更大的器件阈值电压和更大的输出饱和电流。适当地提高Al 组分能够提高器件的输出饱和电流，但是会导致阈值电压的降低，综合考虑，本文我们将Al 组分优化为折中值0.27。

图4 Al 组分和AlGaN 势垒层厚度与器件阈值电压及输出饱和电流关系曲线图Fig.4 Trade-off between threshold voltage and saturation output drain current of the device with different Al mole fractions and different thicknesses of AlGaN barrier layer

同样地，我们给出了AlGaN 势垒层厚度与器件阈值电压和输出饱和电流关系，如图4（b）所示，随着AlGaN 势垒层厚度的增加，p 型栅结构GaN 基HEMT 器件输出饱和电流增加，但是器件阈值电压减小。因此，为了同时得到较大的器件输出饱和电流和阈值电压，我们选取折中值，将AlGaN 势垒层厚度优化为20 nm。

2.3 讨论与分析

为了进一步分析不同AlGaN 势垒层厚度及其Al 组分对器件阈值电压影响的原因，我们仿真了栅压为0 V 时器件的导带结构。图5（a）是Al 组分为0.25，0.27，0.29 时p 型栅结构AlGaN/GaN HEMT 器件导带结构图，此时器件处于关断状态，AlGaN/GaN沟道中没有电子聚集，由图可知，Al 组分的不同导致了器件关态下导带结构的不同。器件阈值电压是指栅极电压足够使器件沟道处能带弯曲形成势阱，电子在势阱中聚集，当漏端施加电压时，电子被漏端吸引形成漏极电流，此时的栅极电压称为阈值电压。因此器件阈值电压的大小与器件能带结构有关，由图5（a）所示，Al 组分为0.29 时p 型GaN 与AlGaN 异质结处的导带弯曲程度最小，因此施加最小的电压能够使器件处于导通状态，因此Al 组分为0.29 时器件阈值电压最小。同样地，如图5（b）所示为AlGaN 势垒层厚度取15，20 和25 nm 时器件导带结构图，由图可知，AlGaN 势垒层厚度为25 nm时，p-GaN 与AlGaN 异质结处导带弯曲程度最小，因此此时器件阈值电压最小，随着势垒层厚度减小，p-GaN 与AlGaN 异质结处导带弯曲程度增加，器件阈值电压增加。

图5 栅压为0 V 时不同条件下的p 型栅结构AlGaN/GaN HEMT 器件导带结构图Fig.5 Conduction band diagrams of the p-GaN gate AlGaN/GaN HEMT with different Al mole fractions and different thicknesses of AlGaN barrier,where gate voltage is 0 V

为了进一步研究AlGaN 厚度及其Al 组分对器件饱和输出电流的影响，我们仿真了栅压为5 V 时p 型栅结构AlGaN/GaN HEMT 器件导带结构，如图6 所示。此时器件处于开态，大量电子在AlGaN/GaN势阱中聚集，形成沟道，当漏端施加电压时电子会被漏端吸引形成输出电流。图6（a）为3 种不同Al组分情况下栅压为5 V 时器件的导带结构，由图可知，Al 组分的改变会影响器件开态时的导带结构，从而影响器件的输出电流。图6（b）为3 种不同AlGaN 势垒层厚度情况下器件开态时的导带结构图，同样地，AlGaN 势垒层的厚度也会影响器件开态时的导带结构。

图6 栅压为5 V 时不同条件下的p 型栅结构AlGaN/GaN HEMT 器件导带结构图Fig.6 Conduction band diagrams of the p-GaN gate AlGaN/GaN HEMT with different Al mole fractions and different thicknesses of AlGaN barrier,where gate voltage is 5 V

器件在开态时，大量电子会在AlGaN/GaN 沟道中聚集，且沟道越深，则表明电子聚集越多，沟道中电子的浓度会影响器件输出电流。因此我们仿真了栅压为5 V 时AlGaN/GaN 沟道中的电子浓度，以便直观地得到器件开态时沟道中电子浓度。图7（a）为AlGaN/GaN 沟道中电子浓度大小与Al 组分的关系。当Al 组分增加时，沟道中电子浓度增加，因此器件输出电流增加，如图3（a）所示。图7（b）为电子浓度大小与AlGaN 势垒层厚度的关系，随着AlGaN势垒层厚度的增加，沟道中电子浓度增加，因此器件输出电流随AlGaN 势垒层厚度的增加而增加，如图3（b）所示。

图7 不同Al 组分和不同AlGaN 势垒层厚度与AlGaN/GaN 沟道电子浓度关系曲线图Fig.7 Electron concentrations in the AlGaN/GaN channel with different Al mole fractions and different thicknesses of AlGaN barrier

3 结论

本文通过Silvaco TCAD 软件，优化了p 型栅结构GaN 基HEMT 器件AlGaN 势垒层厚度及其Al组分。仿真结果表明，当Al 组分为0.25，0.27，0.29时，随着Al 组分的增加，器件输出电流增加，阈值电压减小；当AlGaN 势垒层厚度设为15，20 和25 nm时，随着AlGaN 势垒层厚度的增加，器件输出电流增加，而阈值电压减小。通过进一步仿真器件关态、开态时的导带结构，及开态时沟道中的电子浓度，分析了AlGaN 厚度及其Al 组分的改变会影响器件能带结构及沟道中电子浓度大小，从而影响器件阈值电压及输出电流。为了能够同时得到较大的阈值电压以及输出电流，我们将器件Al 组分优化为0.27，AlGaN 势垒层厚度优化为20 nm。