InAlN/GaN/BGaN HEMT 的高温直流特性研究

耿立新 ,赵红东 ,任星霖 ,韩铁成 ,刘 赫

(1.河北工业大学 电子信息工程学院,天津 300401;2.天津金沃能源科技股份有限公司,天津 300382)

晶格匹配的InAlN/GaN 异质结作为GaN 基高电子迁移率晶体管(HEMT) 器件的主要结构,因具有较强的自发极化效应,在高温、高频、高功率等领域得到广泛关注[1-6]。特别是在高温条件下,由于外部环境温度的升高以及器件本身的自热效应,传统的InAlN/GaN HEMT 器件仍然存在阈值电压漂移、饱和输出电流降低、器件关断困难等问题,这严重影响了器件的性能。因此,寻找提高InAlN/GaN HEMT 器件热稳定性的方法具有重要意义。

纤锌矿结构的BGaN 材料具有较小的晶格常数[7-9],因压电极化效应在GaN/BGaN 异质结界面产生大量负极化电荷,可充当背势垒结构,从而阻止沟道电子溢出至缓冲层,提高器件的关断速度,抑制短沟道效应[10-11]。与此同时,BGaN 材料作为背势垒结构有利于传统的AlGaN/GaN HEMT 器件在高温条件下的应用[12]。但目前关于BGaN 材料对InAlN/GaN HEMT 器件的高温性能影响未见相关报道。因此,本文应用ATLAS 二维仿真软件设计了InAlN/GaN/BGaN 异质结HEMT 器件,并首次研究了该器件在高温条件下的直流性能。为了更好地说明该器件的优势,同时模拟了传统的InAlN/GaN HEMT 器件作为对比[13]。

1 器件结构及仿真介绍

两器件横截面结构如图1 所示。图1 (a) 表示传统的InAlN/GaN HEMT 器件,图1(b) 为带有BGaN缓冲层结构的InAlN/GaN/BGaN HEMT 器件。其中,InAlN/GaN HEMT 器件包含2 μm 半绝缘GaN 缓冲层、1 nm AlN 插入层、8 nm In0.17Al0.83N 势垒层以及130 nm SiN 钝化层。将InAlN/GaN HEMT 中的GaN 缓冲层替换为1 μm B0.015Ga0.985N 缓冲层和30 nm GaN 沟道层即得到InAlN/GaN/BGaN HEMT 器件,两器件均采用SiC 材料作衬底。栅长为70 nm 且位于源漏两电极中间的T 型栅极采用肖特基接触,源极和漏极定义为欧姆接触。

文献[14-15]介绍了传统的InAlN/GaN HEMT 器件的校准过程,保证了仿真结果的准确性。为进一步讨论该器件在高温条件下的直流特性,在原校准结果的基础上加入了晶格加热以及热产生模型。由于考虑了自加热效应,所报道的器件性能相对于原校准器件有所退化。图2 显示了漏极电压(VDS) 为7 V 时,传统的InAlN/GaN HEMT 器件在不考虑自热效应与考虑自热效应两种情况下对应的漏极电流(IDS) 以及跨导(Gm) 随栅极电压(VGS) 的变化关系。考虑自热效应后,器件的峰值跨导与最大漏极电流分别降低约14.3%和15.7%,这主要是由于晶格加热导致电子迁移率下降所引起[16]。在此基础上,模拟分析了图1 所示两器件温度由室温(300 K) 上升至500 K 时的转移特性与输出特性,其中温度间隔为50 K。

图1 (a) InAlN/GaN HEMT 与(b) InAlN/GaN/BGaN HEMT 器件结构示意图Fig.1 Device structure diagrams of (a) InAlN/GaN HEMT and (b) InAlN/GaN/BGaN HEMT

图2 InAlN/GaN HEMT 器件在不考虑自热效应与考虑自热效应时对应的漏极电流以及跨导随栅极电压的变化关系Fig.2 The relationship of drain current and transconductance with gate voltage in InAlN/GaN HEMT device without self-heating and with self-heating

2 结果与讨论

2.1 温度变化对器件转移特性的影响

图3 显示了两器件在漏极电压为7 V 时,温度由室温上升至500 K 所对应的转移特性曲线。由图可以看出,随着温度升高,两器件的漏极电流因电子迁移率下降而明显降低。除此之外,InAlN/GaN/BGaN HEMT 器件的漏极电流要低于传统的InAlN/GaN HEMT 器件,这主要是由于InAlN/GaN/BGaN HEMT 器件的二维电子气(2DEG) 浓度较低所引起[11]。

图3 (a) InAlN/GaN HEMT 与(b) InAlN/GaN/BGaN HEMT 器件在不同温度下的转移特性Fig.3 The transfer characteristics of (a) InAlN/GaN HEMT and (b) InAlN/GaN/BGaN HEMT at different temperatures

根据转移特性曲线,提取得到两器件在不同温度下的阈值电压(VTH),如图4 所示。可以看出,随着温度的升高,InAlN/GaN/BGaN HEMT 器件的阈值电压始终保持在-3.2 V 左右,而InAlN/GaN HEMT 器件的阈值电压变化幅度则相对较大,这主要是由于温度升高导致器件的电子浓度降低且限域性变差所引起。

图4 两器件的阈值电压随温度的变化关系Fig.4 The relationship between the threshold voltage and temperature of two devices

图5 进一步计算了两器件的跨导随温度的变化关系。随着温度升高,器件的电子迁移率变差,导致栅极对沟道的控制能力减弱,跨导减小。对于InAlN/GaN/BGaN HEMT 器件而言,即使在高温条件下,关断区域的跨导仍然保持陡峭的变化率,具有较高的开关速度,这主要由于引入BGaN 缓冲层后,器件在高温条件下仍然保持良好的电子限域性,器件的开启或关闭更容易。从图中还可以看出,传统的InAlN/GaN HEMT 器件在高温条件下的关断速度退化更严重。

图5 (a) InAlN/GaN HEMT 与(b) InAlN/GaN/BGaN HEMT 器件在不同温度下的跨导特性曲线Fig.5 The transconductance characteristics of(a) InAlN/GaN HEMT and (b) InAlN/GaN/BGaN HEMT at different temperatures

图6 反映了两器件的峰值跨导随温度的变化关系。引入BGaN 缓冲层后,InAlN/GaN/BGaN HEMT 器件的2DEG 浓度降低,通道电阻增大,导致跨导低于传统的InAlN/GaN HEMT 器件。温度由室温上升至500 K 时,两器件的峰值跨导均降低约56%,但两者的峰值跨导之差由23 mS/mm 减小至8 mS/mm,峰值跨导差距随温度升高逐渐缩小。

图6 两器件的峰值跨导随温度的变化关系Fig.6 The relationship between the peak transconductance and temperature of two devices

与此同时,计算了漏电压为7 V 时,两器件在不同温度下的亚阈值摆幅(SS),如图7 所示。一般来说,亚阈值摆幅数值越大,短沟道效应越明显。由图可知,两器件的亚阈值摆幅数值均与温度呈正相关,这表明器件的短沟道效应随温度的升高变得越来越明显。计算得出,温度由室温上升至500 K 时,InAlN/GaN HEMT 器件的亚阈值摆幅由860 mV/dec 上升至1990 mV/dec,增加约131.4%;而InAlN/GaN/BGaN HEMT 器件的亚阈值摆幅由192 mV/dec 上升至366 mV/dec,增加约90.6%,并且始终明显低于传统的InAlN/GaN HEMT 器件。这表明,无论在室温还是高温条件下,BGaN 缓冲层的引入均有效抑制了短沟道效应,同时减弱了器件的高温退化程度。这主要是由于引入BGaN 缓冲层后,器件在室温以及高温下均保持良好的电子限域性以及较强的栅控能力。

图7 两器件的亚阈值摆幅随温度的变化关系Fig.7 The relationship between the subthreshold swing and temperature of two devices

2.2 温度变化对器件输出特性的影响

图8 展示了栅极电压固定为1 V 时,两器件在不同温度下的输出特性曲线。由图可得,两器件的膝点电压均随温度的升高呈向右移动的趋势,但InAlN/GaN/BGaN HEMT 器件的饱和漏电流(IDSsat) 相对平稳,没有出现明显的负阻现象。图9 进一步对比了漏极电压为10 V 时,两器件在不同温度下的饱和漏电流。由图可以看出,由于2DEG 浓度较低,InAlN/GaN/BGaN HEMT 器件的饱和漏电流始终低于传统的InAlN/GaN HEMT 器件。但随着温度的升高,两器件的饱和漏电流之差由室温下的0.42 A/mm 下降至500 K 时的0.18 A/mm,这与峰值跨导性能类似。

图8 VGS=1 V 时,(a) InAlN/GaN HEMT 与(b)InAlN/GaN/BGaN HEMT 器件在不同温度下的输出特性曲线Fig.8 The output characteristics of (a) InAlN/GaN HEMT and (b) InAlN/GaN/BGaN HEMT at different temperatures with VGS=1 V

图9 VDS=10 V 且VGS=1 V 时,两器件在不同温度下的饱和漏电流Fig.9 The saturation drain current of two devices at different temperatures with VDS=10 V and VGS=1 V

为进一步分析两器件的关态热稳定性,测得漏电压为15 V 且栅电压为-12 V 时的关态漏电流(Ioff),并计算得到相应的关断耗散功率(PD)[17],结果如图10 所示。对于InAlN/GaN HEMT 器件而言,温度由室温上升至500 K 时,关态漏电流提升约3 个数量级,500 K 时达到2.38 mA/mm;而InAlN/GaN/BGaN HEMT 器件仅提高约1 个数量级,500 K 时的关态漏电流为3 μA/mm。由于关态漏电流较小,高温下InAlN/GaN/BGaN HEMT 器件的关断耗散功率明显较低,温度达到500 K 时为45 μW/mm,而InAlN/GaN HEMT 器件则达到36 mW/mm,关断耗散功率明显升高。这主要是由于温度升高,导致大量电子溢出至缓冲层,引起严重漏电。

图10 VDS=15 V 且VGS=-12 V 时,两器件在不同温度下的关态漏电流与关断耗散功率Fig.10 The off-state drain current and dissipation power of two devices at different temperatures with VDS=15 V and VGS=-12 V

3 结论

通过与传统的InAlN/GaN HEMT 器件的高温直流特性作对比,理论上证明了InAlN/GaN/BGaN HEMT器件在高温条件下的应用优势。结果表明,InAlN/GaN/BGaN HEMT 器件明显改善了不同温度下的阈值电压漂移、器件关断困难、栅控能力较差等短沟道效应现象。同时,随着温度的升高,所研究器件的峰值跨导和饱和漏电流与传统器件的差距逐渐减小。此外,引入BGaN 缓冲层后,器件的关态热稳定性进一步提高,具体表现在关态漏电流和关断耗散功率均明显低于传统的InAlN/GaN HEMT 器件。这对晶格匹配的InAlN/GaN HEMT 器件在高温条件下的应用具有一定的参考意义。