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一种具有N埋层的AlGaNGaN高电子迁移率晶体管.docx
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一种具有N埋层的AlGaNGaN高电子迁移率晶体管.docx
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近年来,人们对以 GaN 为代表的第三代半导体材料进行了大量的研究
[1,2]
。
由于 GaN 材料具有许多优异性能,例如高的临界击穿电场、宽的禁带宽度、低
的导通电阻和高的电子迁移率等,因此 AlGaN/GaN 高电子迁移率晶体管(High-
Electron Mobility Transistor,HEMT)在多个领域得到了广泛的应用
[3,4,5,6,7,8]
。然
而,与传统的硅基半导体器件相比,GaN 基半导体器件依然存在一些问题需要解
决,其优良特性还没有完全发挥出来
[9]
。
为 了 提 高 AlGaN/GaN HEMT 的 击 穿 电 压(Breakdown Voltage, BV),发 挥
出 GaN 材料 的 耐 高 压 特 性 ,国内 外 研 究 人 员 提 出 了 各 种 方 法 ,例如 缓 冲 层 掺
Fe
[10,11]
或 C
[12,13,14]
等杂质以及采用 AlGaN 背势垒
[15,16,17]
作为缓冲层等。然而,这
些方法都是通过牺牲器件的导通电阻来换取击穿电压的提升,即通过折中导通
电阻和击穿电压实现 Baliga 优值(Baliga’s Figure of Merit,BFOM)的改善,没有
进一步发挥出 AlGaN/GaN HEMT 导通电阻低的优点。
对于 GaN 基功率器件来说,在确保器件具有较低的导通电阻的基础上,进
一步实现高的击穿电压才是有意义的
[18]
。因此,从改善器件的击穿电压和保持
器件低的导通电阻着手,提出了一种具有 N 型 GaN 埋层的 AlGaN/GaN HEMT
结构。该结构能够在不牺牲器件导通电阻的基础上,明显改善器件击穿电压,发
挥出 GaN HEMT 器件的耐高压特性。
1 器 件仿真
传统结构(C-HEMT)和具有 N 型 GaN 埋层的结构(N-HEMT)的截面图如图
1 所示。两个结构具有共同 的 基 础 层 ,包括 GaN 复合缓冲层、GaN 沟道层、
Al
0.15
Ga
0.85
N 势垒层、Si
3
N
4
钝化层和栅介质等,详细参数信息如表 1 所示。两个
器 件 的 栅 长 L
G
、 栅 漏 间 距 L
GD
和 栅 源 间 距 L
GS
分 别 为 0.5 μm、 6 μm 和 0.5
μm 。 GaN 沟 道 层 和 Al
0.15
Ga
0.85
N 势 垒 层 均 不 掺 杂 ,GaN 复 合 缓 冲 层 由 GaN
Middle 缓冲层和 GaN Bottom 缓冲层两个部分构成。为了降低 GaN 复合缓冲
层的泄漏电流,GaN Middle 缓冲层和 Bottom 缓冲层具有浓度分别为 2×10
16
cm
-
3
和 4×10
18
cm
-3
的 受 主 杂 质 。 受 主 杂 质 的 能 级 距 离 GaN 导 带 0.9 eV 处 ,即
E
V
+0.9 eV,俘获截面为 1.3×10
-14
cm
-2
。为了实现常关型器件,位于栅电极区域下
方的 Al
0.15
Ga
0.85
N 势垒层和 GaN 沟道层被完全刻蚀。同时,采用 Si
3
N
4
材料作为
栅极介质,以降低器件的栅极泄漏电流。为了降低器件的衬底漏电,在仿真研究
中去除了衬底。在新结构中,N 型 GaN 埋层与 GaN 沟道层的间距设为 D,埋层
的长度设为 L
N
,厚度 T
N
固定为 0.1 μm,N 型 GaN 埋层的掺杂浓度为 N
d
。
图 1
图 1 器件结构截面图
(a)C-HEMT (b)N-HEMT
Figure 1. Cross-sectional views ofdevices
(a)C-HEMT (b) N-HEMT
表 1 结构的参数列表
Table 1 Parameters list of the structures
参数
值
栅源间距 L
GS
0.5 μm
栅漏间距 L
GD
6.0 μm
栅极长度 L
G
0.5 μm
栅场板长度 L
GFP
0.5 μm
栅介质厚度 T
Diel
20 nm
钝化层厚度 T
Pass
100 nm
势垒层厚度 T
Bar
25 nm
沟道层厚度 T
Ch
50 nm
Middle 缓冲层厚度 T
Mid
0.4 μm
Bottom 缓冲层厚度 T
Bot
1.6 μm
N 埋层浓度 N
d
1×17 cm
-3
N 埋层长度 L
N
2.2 μm
N 埋层厚度 T
N
0.1 μm
N 埋层与沟道层的间距 D
1.9 μm
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通过 Sentaurus 公司的 TCAD(Technology Computer Aided Design)仿真
软件研究器件的电学特性。在二维器件仿真研究中,添加了一些 GaN 器件经常
使用的物理模型,例如 Auger 复合和 SRH(Shockley-Read-Hall)复合模型、迁
移率模型、极化模型和碰撞电离模型等,这些模型已经在之前的研究中验证过
[19]
。
2 结 果与讨 论
C-HEMT 和 N-HEMT 的击穿特性和输出特性分别如图 2 和图 3 所示。器
件的击穿电压定义为漏极泄漏电流达到 1 μA·mm
-1
时的漏极电压。由图 2 可以
看出:与传统结构 C-HEMT 相比,新结构 N-HEMT 的泄漏电流更低,因此具有更
高的击穿电压。而两者的导通特性没有变化,新结构 N-HEMT 在保持导通电阻
不 变 的 情 况 下 提 高 了 器 件 的 耐 压 能 力 。 这 是 因 为 当 器 件 处 于 关 断 状 态 时 ,N-
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