一种具有极化调制层的AlGaN/GaN HEMT结构

代一丹， 陈永和， 田 雨， 马 旺， 刘子玉

(桂林电子科技大学 广西精密导航技术与运用重点实验室，广西 桂林 541004)

AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(AlGaN/GaN HEMT)因其优异的器件性能在微波功放和高电压开关领域有巨大的应用前景[1-4]，使其成为了近二十年一个新的研究热点领域。在GaN和AlGaN材料异质结面由于极化效应会形成高浓度(>1013cm-2)和高迁移率(>2 000 cm2/V·s)的二维电子气(2DEG)[5-7],从而使AlGaN/GaN HEMT器件可以同时具备高击穿电压(BV)和较低比导通电阻(Ron,sp)。但常规AlGaN/GaN HEMT结构由于较低的击穿电压，使得其无法发挥出GaN材料的高耐压特性。研究表明，制约器件击穿电压提升的主要因素有栅极泄漏电流[8]、缓冲层漏电[9]和栅极边沿电场集中[10]。针对上述原因，国内外各研究小组分别提出了多种解决方案，如场板(FP)技术[11-13]、RESURF(Reduced Surface Field)技术[14-15]、超晶格技术[16]、双异质结技术[17-18]、垂直AlGaN/GaN HEMT结构[19-20]等。虽然这些方法能有效提高器件击穿电压，但还远低于GaN材料的理论击穿值，因此对AlGaN/GaN HEMT耐压性能的研究具有重要意义。

同AlGaN/GaN异质结界面因极化效应产生高浓度的2DEG一样，沿材料生长方向(0001)Al组分线性增大的AlGaN会由于极化梯度产生电子，相反，当沿着材料生长方向Al组分线性减小时，AlGaN便会产生空穴，从而在未对材料进行掺杂的情况下实现了材料的极化掺杂。2002年，JENA等[21]在Ga面GaN缓冲层上采用分子束外延技术沿材料生长方向生长了正向渐变Al组分的AlGaN势垒层，首次实现了电子的极化掺杂；2013年，赵子奇等[22]用渐变Al组分的AlGaN作为垂直型AlGaN/GaN HEMT结构的电流阻挡层；2018年，Peng等[23]利用极化掺杂原理，提出了对称极化掺杂AlGaN/GaN HEMT结构。

鉴于此，在栅极场板技术的基础上，利用极化掺杂原理，提出了一种具有极化调制层的AlGaN/GaN HEMT器件结构。通过极化调制层诱导产生的空穴,使整个栅漏间沟道同时作为耗尽区共同承担耐压，以此实现器件高击穿电压。最后通过仿真软件Sentaurus TCAD对所提出的器件结构进行模拟验证，并基于功率器件的优值对重要参数进行优化。

1 器件结构

图1为具有极化调制层的AlGaN/GaN HEMT(PM-HEMT)器件结构图，将y轴反方向设定为材料生长方向。在衬底上沿材料生长方向依次是AlGaN缓冲层、GaN沟道层、AlGaN势垒层、AlGaN极化调制层、钝化层及栅极场板。为了模拟极化调制层中Al组分渐变过程，在仿真中将一定厚度的AlGaN极化调制层平分为6层，每层Al组分沿生长方向线性递减，通过最上层Al组分动态调整每层组分值。此外，AlGaN缓冲层能有效降低缓冲层漏电，但过高的Al组分会使异质结面处的电子浓度降低，因此在仿真中将AlGaN缓冲层中的Al组分设为0.05。

图1 PM-HEMT结构示意图

表1给出了PM-HEMT结构仿真中使用的具体参数，为了对比说明，也给出了双异质结AlGaN/GaN HEMT(D-HEMT)结构和未极化调制层的栅场板AlGaN/GaN HEMT(FP-HEMT)结构，结构参数与PM-HEMT相同。为了模拟材料在生长过程中引入的非故意掺杂，在仿真中对缓冲层、沟道层和势垒层均进行N型掺杂，掺杂浓度分别为3×1015、1×1015、1×1018cm-3，同时还在缓冲层内加入了能级位于导带下方0.4 eV、浓度为2×1015cm-3的受主陷阱，用来模拟缓冲层内的背景受主杂质。此外根据AlGaN/GaN极化效应原理，还在势垒层和钝化层界面处加入了能级位于导带下0.45 eV、面密度为5×1013cm-2的施主陷阱，用来提供异质结界面处的2DEG。

表1 仿真中使用的器件参数列表

2 工作机理

AlGaN材料的总极化强度随着Al组分增加而变大，因此Al组分不同的AlGaN界面处也会由于极化强度差产生非零的净极化电荷，Al组分沿生长方向线性增大时，产生的界面净极化电荷为正，而沿生长方向线性减小时，产生的界面净极化电荷为负。为了使器件保持电中性，诱导产生与界面净极化电荷极性相反的电荷，从而实现极化掺杂。以Al组分沿材料生长方向线性递减的AlGaN极化调制层来详细说明极化掺杂原理，图2为Al组分渐变AlGaN极化掺杂原理。

(1)

净极化负电荷如图2(c)所示，极化调制层内建极化电场如图2(d)所示。整个器件为保持电中性，会在内建极化电场的作用下诱导产生相等数量的空穴，由此实现渐变AlGaN材料的极化掺杂。图2(e)为极化调制层沿z方向的能带图。

根据以上对极化掺杂理论的分析，极化调制层由于存在极化梯度会诱导产生空穴，一方面极化调制层内的空穴会降低栅漏间沟道内2DEG浓度，当器件反向阻断时更容易形成耗尽区，从而使器件获得更大的击穿电压；另一方面，当器件反向阻断时，在栅极场板的作用下，极化调制层内的空穴会向场板方向移动，从而留下带负电的固定极化电荷，从沟道耗尽区内正极化电荷发出的电力线便会指向极化调制层内的极化负电荷，从而缓解栅极边沿电场集中，提高器件耐压。

3 结果与讨论

在模拟器件击穿时，器件的击穿电压定义为反向阻断状态下(VGS=-7 V)漏极电流IDS达到1×10-7A·mm-1或沟道内表面电场峰值大于3.3 MV·cm-1的漏极电压VDS。图3为D-HEMT、FP-HEMT和PM-HEMT结构击穿特性曲线。从图3可看出，相比于D-HEMT结构击穿电压147 V，FP-HEMT结构的击穿电压提高了124%，达到了330 V，可见栅极场板对提升器件击穿电压具有明显作用，但FP-HEMT结构栅漏间有效平均击穿电压仅为82.5 V·μm-1。而PM-HEMT结构的最大击穿电压为645 V，相比于D-HEMT和FP-HEMT结构，击穿电压值分别提升了339%和95%，栅漏间有效平均击穿电压达到了161.25 V·μm-1。

图3 D-HEMT、FP-HEMT和PM-HEMT器件击穿特性曲线

图4给出了D-HEMT、FP-HEMT和PM-HEMT器件击穿时等电势线分布，从图4可看出，D-HEMT结构击穿时的等电势线集中分布在栅极靠近漏端一侧，这是由于常规结构在器件反向阻挡状态时，耗尽区内带正电的极化电荷发出的电力线会指向栅极一侧，造成栅极靠近漏端产生一个高电场峰值。对于FP-HEMT结构，由于栅极场板的作用，栅极边沿处的电场部分被引到场板上，沟道内带正电的极化电荷发出的电力线大部分被场板感应出的负电荷所吸收，因此，栅极场板有助于缓解栅极电场集中效应，改善栅漏间电场分布。但场板的引入对沟道电场的调控作用有限，等电势线仍集中在场板一侧，漏极附近的等电势线分布稀疏，说明FP-HEMT结构耐压区域主要是在场板附近，靠近漏极的沟道仍不承担耐压。图4中PM-HEMT结构击穿时，等电势线均匀分布在整个栅漏间，栅漏间的沟道作为耗尽区共同承担耐压，因此，相比于前2种器件结构，PM-HEMT结构具有更高的击穿电压。

图4 不同器件击穿时等电势线分布

图5为D-HEMT、FP-HEMT和PM-HEMT器件击穿时沟道内电子浓度分布。从图5可看出，当D-HEMT结构击穿时，沟道内还保持有较高浓度的2DEG，因此仅部分沟道作为耗尽区承担了耐压。而FP-HEMT结构中由于栅极场板的作用，使沟道耗尽区向漏端扩大，沟道内电子气浓度也随之下降，从而实现了更高的击穿电压。从图5也可看出，尽管FP-HEMT结构能有效扩大耗尽区面积，但在靠近漏极处的沟道内仍有较高浓度的电子，相比之下，PM-HEMT结构在整个栅漏间沟道内2DEG浓度几乎为0，整个沟道都同时作为耗尽区承担了耐压。图6为D-HEMT、FP-HEMT和PM-HEMT器件击穿时沟道表面电场分布。从图6可看出，D-HEMT结构沟道表面电场呈典型的三角形分布，栅极靠近漏端处电场峰值高于GaN材料理论击穿值3.3 MV·cm-1，使器件发生了击穿，而在远离栅极的沟道内表面电场却很低；FP-HEMT结构在栅极场板的作用下将栅极边沿的高电场转移到了场板处，并在场板末端形成一个新的电场峰值，耐压区域相比D-HEMT结构也扩宽了很多，但在靠近漏端处的电场值依然处于一个较低水平；而PM-HEMT结构在栅漏间的沟道内产生了分别位于栅极边沿、场板末端和漏极处的3个电场峰值，栅漏间沟道内同时具有了较高的表面电场，当场板末端和漏极处的电场峰值同时达到GaN材料的理论击穿值时，取得最大击穿电压645 V。

图7给出了PM-HEMT结构开态输出特性曲线。在栅源电压VGS为1 V时，器件饱和输出电流IDS=450 mA·mm-1。经过计算，PM-HEMT结构的比导通电阻Ron,sp=1.09 mΩ·cm2，相比D-HEMT的0.707 mΩ·cm2仅增加了0.38 mΩ·cm2。这主要是由于极化调制层内诱导产生的空穴的消耗作用，使得沟道内2DEG的浓度降低，从而导致PM-HEMT结构比导通电阻的上升。PM-HEMT结构在获得一个较大的击穿电压时，仍能保持一个较低的比导通电阻，此时器件FOM值达到了382 MW·cm-2。

图8为Mpm=0，Tpla=0.8 μm，Lpla=0.08 μm，PM-HEMT器件BV、Ron,sp和FOM值随极化调制层厚度Tpm的变化曲线。从图8可看出，PM-HEMT器件比导通电阻随Tpm的增加持续增大，而击穿电压先是随着极化调制层厚度增大而上升，当极化调制层厚度Tpm=12 μm时，击穿电压取得最大值，之后随着厚度的进一步增大，器件击穿电压缓慢下降。这是由于随着极化调制层厚度的增加，极化强度也随着增大，从而在体内诱导出更多的空穴，沟道内2DEG被进一步耗尽，器件的比导通电阻也会随之增大。但由于栅漏间沟道长度一定，而对于横向GaN HEMT器件，耐压主要依靠栅漏间沟道的耗尽区，随着耗尽区扩展至整个栅漏间沟道而获得最大击穿电压，之后器件击穿电压基本保持不变。器件的功率优值FOM在Tpm=0.012 μm处取得极化调制层厚度最优值。

图9为Tpm=0.012 μm时，PM-HEMT器件的BV、Ron,sp和FOM值随着极化调制层Al组分下限值Mpm的变化关系。在仿真中，通过设定Mpm动态调节每层的Al组分，从而控制极化调制层的极化强度。从图9可看出，随着Mpm的减小，比导通电阻和击穿电压都增大，这主要是由于随着Mpm的减小，极化调制层内极化梯度变大，从而在极化调制层内诱导产生更高的空穴浓度，对沟道电子气的耗尽作用加强，使得器件比导通电阻和击穿电压均呈上升趋势。当Mpm=0时，器件击穿电压达到最高(645 V)，此时比导通电阻为1.09 mΩ·cm2。

图9 PM-HEMT器件BV、Ron,sp和FOM值随极化调制层Al组分下限值Mpm变化

图10为Tpm=0.012 μm、Mpm=0.0，PM-HEMT器件的BV、Ron,sp和FOM值随栅极场板距极化调制层厚度Tpla的变化关系。从图10可看出，随着厚度Tpla的增大，器件击穿电压随之是先增大后又减小。当栅极场板距极化调制层厚度较小时，场板末端处的电场峰值高于材料理论击穿值，而沟道漏极附近电场强度较低；随着厚度的增大，场板末端的电场峰值开始下降，而沟道内和漏极处的电场开始升高；当厚度增大到0.08 μm时，漏极处的电场上升到与场板末端一致时，得到最大击穿电压；当厚度继续增大，漏极处的电场开始下降，从而使得击穿电压降低。而器件比导通电阻随着Tpla的增加几乎保持不变。图11为相同条件下PM-HEMT器件BV、Ron,sp和FOM随栅极场板长度Lpla的变化关系，从图11可看出，随着Lpla的增加，击穿电压先上升，后缓慢下降。当场板长度较小时，沟道电场峰值在栅极边沿和场板末端产生；随着Lpla增大，漏极处和沟道内的电场开始增大，最终漏极处电场增大到与场板末端相同时，取得最大击穿电压，此时场板长度Lpla=0.8 μm；当Lpla超过0.8 μm后，漏极处的电场大于GaN材料理论击穿值，器件发生击穿，从而使击穿电压降低。器件比导通电阻随着Tpla的增大,比导通电阻几乎保持不变。综合上述分析,根据FOM值随Tpla和Lpla的变化曲线，当Tpla=0.08 μm、Lpla=0.8 μm时,FOM取得最大值。

图10 PM-HEMT器件BV、Ron,sp和FOM值随栅极场板距极化调制层厚度Tpla变化

图11 PM-HEMT器件BV、Ron,sp和FOM值随场板长度Lpla变化

4 结束语

为了提高AlGaN/GaN HEMT器件击穿电压，在双异质结AlGaN/GaN HEMT结构的基础上，根据极化掺杂原理提出了一种具有极化调制层的AlGaN/GaN HEMT器件结构，并通过Sentaurus TCAD仿真软件对其模拟验证。仿真结果表明，所提出结构的击穿电压高达645 V，而器件比导通电阻仅为1.09 mΩ·cm2，FOM值为382 MW·cm-2，栅漏间有效平均击穿电压达到了161.25 V·μm-1。相比于常规AlGaN/GaN HEMT结构，所提出的结构在保持较低比导通电阻的同时，还具有较高的击穿电压，这为解决击穿电压与比导通电阻之间的矛盾提供了新的思路。