AlGaN_GaNHEMT不同结构的直流及温度特性仿真

GaN

AlGaN/GaNHEMT不同结构的

直流及温度特性仿真

张小玲,李　菲,谢雪松,吕长志,李志国

(北京工业大学电子信息与控制工程学院,北京　100022)

摘要:采用ISE仿真软件对AlGaN/GaNHEMT不同纵向结构的直流特性进行仿真,得到常规、倒置和双异质结结构的最大跨导分别为369、261、495mS/mm,681.21、

467.56、1004.6mA/mm,其特性随温度的升高而下降。

关键词:AlGaN/GaN;HEMT;仿真

中图分类号:TN386　文献标识码:A　文章编号:(03

SimulationofDCandofAlGaN/GaVerticalStructures

Fei,XieXuesong,LüChangzhi,LiZhiguo

(of.&Auto.,BeijingPolytechnologyUniversity,Beijng100022,China)

Abstract:characteristicsofAlGaN/GaNHEMTforthreevariantverticalstructuresweresimu2

latedusingISEsimulationsoftware.Themaximaltransconductionsofnormal,invertedanddoublehetero2structuresare369,261and495mS/mm,respectively.Source2draincurrentsofthemare681.21,467.56and1004.6mA/mm,respectively.TheDCcharacteristicsaredecreasedwiththetemperatureincreasing.

Keywords:AlGaN/GaN;HEMT;simulationEEACC:2560S

0　引　言

GaN是目前研究最多的Ⅲ族氮化物材料。GaN

的仿真方法是在异质结的界面设置一薄的掺杂层,其离化的电荷充当极化电荷层引入极化效应。本文通过ISE仿真软件对三种不同层结构器件的直流特性及温度特性进行了仿真。

材料非常坚硬,其化学性质稳定,在室温下不溶于水、酸和碱,其融点约为1700℃,电子室温迁移率目前可以达900cm2/(V s)。AlGaN/GaN异质结构具有很强的极化效应,包括自发极化和压电极化。自发极化与器件的纵向层厚度无关,但压电极化与厚度有关,一旦厚度超过临界厚度,应变就会释放,压电效应消失,HEMT的2DEG密度将会下降,直接影响器件的直流特性。而且极化电场的方向不同,其对器件的特性影响也不尽相同。　　本实验室制备了三种不同纵向结构的器件,并对其直流特性进行了比较分析

[1]

1　AlGaN/GaNHEMT的设计

为了进一步说明极化效应对器件直流特性的

影响,本文设计了三种不同纵向结构的器件进行比较,其结构如图1所示,(a)是常规结构,

2DEG在异质结界面的下方;

(b)中2DEG位于

异质结的上方,称作倒置结构;(c)是设计了两个不同位置的异质结构形成两个2DEG,为双异质结构。仿真过程中所有器件的栅宽为1mm,栅长为1μm,源漏间距为4μm,其中栅漏间距为2μm。

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1

。李娜等人报道

[2]

基金项目:北京工业大学博士启动金资助(52002015200701)

December2008　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　SemiconductorTechnologyVol.33Supplement

　张小玲　等:AlGaN/GaNHEMT不同结构的直流及温度特性仿真

计中必须考虑极化效应的影响。在极化电荷层的浓

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度为5×10cm时,器件的跨导为最大,而且还

可以看出当所加入的极化电荷更大时,其跨导反而下降,这与O.Ambacher等人[4]给出的异质结构的极化电荷量是一致的。在之后的模拟中,所有的

19-3

器件的极化电荷都采用5×10cm。

图2　极化电荷与AlGaN/GaNHEMT的关系曲线

Fig.2　Dependenceofpolarizationchargesand

AlGaN/GaNHEMT’sGm

场效应晶体管的输出功率密度与其电流密度和

图1　三种不同纵向结构器件的示意图

Fig.1　ThreevariantverticalstructuresofAlGaN/GaNHEMT

击穿电压密切相关。对于AlGaN/GaNHEMT,最大沟道电流是由AlGaN施主/势垒层和GaN沟道层之间的导带不连续性ΔEc决定的,可通过提高AlGaN层中的Al组分增大此不连续性来优化器件性能。提高Al组分的优势在于增大了AlGaN层的击穿电场和栅极二极管的肖特基势垒,高的Al组分能使升温过程中的栅极金属/AlGaN界面的性能稳定,同时增强了器件电压和温度的承受力。图

3给出了考虑上述极化效应时不同Al组分器件的

2　极化电荷和Al组分对器件特性的

影响

在仿真中,根据不同的异质结构的方向,作者在异质结中设置了0.3nm厚不同极性的极化电荷。将该层设定为完全电离,当插入层为n型时,则离化的施主充当正固定电荷;插入层为p型时,则离化的受主充当极化产生的负固定电荷,这样就将极化效应引入器件结构的模拟中。图2给出常规结构所加极化电荷与器件跨导的关系。虚线是不考虑极化效应时的特性曲线,实线所示为加入极化层时的特性曲线。从图2可以看出器件的转移特性在不考虑极化效应时比考虑极化效应时的特性要小很多,这是因为界面处的能带在考虑了极化效应后弯曲的程度更加厉害[3],从而使得二维电子气(2DEG)密度增强。由此,极化便成为了感应高

转移特性曲线,Al组分越高,器件的特性越好,但高的Al组分给生长高质量的AlGaN层提出了挑战,且当Al组分大于40%～50%,很难形成低电阻率欧姆接触。Y.F.Wu等人[5]通过实验表明,当Al组分大于35%时,并不能提高载流子密度,其原因是掺杂效率下降。当Al组分x大于13%,富Al的AlGaN层不容易进行掺杂,并且由于合金散射和晶体质量的下降,迁移率降低。所以,为了更接近实际器件的Al组分,在其后各器件的仿真中Al组分都设为25%。

浓度二维电子气的主要原因之一,所以在器件的设

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半导体技术第33卷增刊　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2008年12

月

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