双电荷区势垒层对AlGaN/GaNHEMT的电学性能的影响

双电荷区势垒层对AlGaN/GaNHEMT的电学性能的影响

王朝旭唐武

王朝旭唐武

电子科技大学四川成都610054

摘要：本研究提出了一种高击穿电压AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（DCBL-HEMT），它具有通过在栅极和漏极之间的钝化层中加入两个负电荷区形成的双电荷区势垒层结构。负电荷的引入可以氟等离子体处理实现。相较于普通钝化层结构和场板结构的晶体管，具有双电荷区阻挡层结构的晶体管沟道中的电子被势垒层中的负电荷耗尽。栅边缘的电场集中得到改善，沟道层出现两个新的的峰值电场，使电场分布更加均匀。双电荷区势垒层结构可以调节沟道层中的电场分布，有效地提高器件的击穿电压。通过sentaurus仿真软件对器件的结构和双电荷区进行优化，最终得到了284V的击穿电压。

简介

传统Si材料的电学性能已接近极限，而GaN由于宽禁带（禁带宽度大于2.2eV），饱和电子漂移速度大，临界击穿电场高，耐高温等优点得到广泛的关注。AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMTs）由于二维电子气（2EDG）等优点成为理想的微波电子器件的材料选择[1,2]。

1.2000年，Green等研究人员采用Si3N4钝化层[3]，在栅长为0.5µm时，器件的击穿电压平均提高25%。2003年，W.Saito等人提出了具有单层源极场板的高击穿电压AlGaN/GaNHEMT结构[4]。通过优化场板长度和栅漏间距，当漂移区长度Lgd为10µm、场板长度LFP为5µm时，器件的击穿电压达到600V。但是场板会增大栅漏间的反馈电容，降低器件功率增益，对击穿电压的提高有限。

在这项工作中，我们提出了一种新的GaNHEMT，在栅极和漏极之间的势垒层中具有两个带负电的区域，并且这些区域可以用氟等离子体处理来实现[5,6]。负电荷可以耗尽沟道中的2EDG，以调节栅极和漏极之间的电场分布，并增加器件击穿电压。利用sentaurus仿真软件来对器件模型进行模拟计算，通过对电荷区尺寸和电荷密度进行优化，最后得到284V的击穿电压。

结构和原理

2.AlGaN/GaNHEMT器件的平面模型如图1所示。源极和漏极长度Ls和Ld均为1μm，栅极长度为1.5μm。栅极源极之间的距离Lsg为2μm，栅极与漏极之间的距离为5μm。阻挡层的厚度为0.02μm，阻挡层的Al摩尔分数为0.025。电荷区的长度为Lcr，电荷密度为Qf。表1中列出了该工作中使用的更详细的参数。2EDG位于AlGaN势垒层和GaN沟道层的界面处。

图1.DCRL-HEMT结构示意图

降低漏电流是为了防止器件提前击穿，提高器件的击穿电压。通过耗尽沟道层中的2EDG可以减少漏电流引入的负电荷产生一个新的附加电场，调节AlGaN/GaN异质结界面处的能带分布，使异质结处导带由费米能级以下提高的费米能级以上[7]。在没有偏置电压的情况下，由于GaN势垒层中具有带有负电荷的电荷区，通过同种电荷相互排斥作用，耗尽栅漏之间沟道层中的2EDG[8]。

采用两个不同电荷密度的电荷区有两个目的：首先，栅极边缘处的低密度电荷区CR1可以缓解漏方向的栅边缘的电场集中，并降低了峰值电场的幅度。第二，远离栅极边缘的长电荷区CR2可以耗尽沟道中的2EDG。并且当在漏极施加高电压时，在电荷区域的边缘处产生新的峰值电场，以更好地调节栅漏极之间沟道层的电场分布[8]。最终实现提高器件击穿电压的目的。

结果和讨论

3.1基本装置特性

3.图2显示了沿势垒层中心的X轴的电场分布。可以看出，DCRL-HEMT的漏极侧的栅极边缘处的电场峰值显着减小，并且栅极和漏极之间的电场变得更高。在具有钝化层的HEMT中的势垒层中添加两个负电荷区域后，明显地调节了沟道的电场分布。CR1降低了栅极边缘的电场集中，CR2在沟道中产生了新的电场峰值，使电场分布平坦化。图3是两个器件的BV图，其清楚地表明电荷区的添加实现了调节沟道区中的电场分布，并增加击穿电压的效果。

图2.势垒层的电场分布图3.HEMT和DCRL-HEMT的击穿电压

图4显示了在击穿状态下具有不同电荷浓度的DCRL-HEMT的电子浓度分布。可以清楚地看出，势垒层中的两个负电荷区域排斥沟道中的2EDG。随着负电荷浓度的增加，沟道中的2EDG逐渐耗尽，甚至耗尽GaN缓冲层中的电子。因此当源极的电子不能到达漏极时，电荷浓度过高，会引起电流崩塌效应。我们需要优化电荷区域的电荷浓度。

图4.具有不同电荷浓度的DCRL-HEMT的电子浓度分布

(a)Qf2=2×1018cm−3(b)Qf2=5×1018cm−3

(c)Qf2=8×1018cm−3(d)Qf2=1.1×1019cm−3

3.2优化

势垒层中两个电荷区的长度Lcr1、Lcr2和电荷浓度Qf1、Qf2会影响HEMT的击穿电压，一般而言，电荷区的长度越大，击穿电压越大。这里我们先把Qf1和Qf2的浓度确定，再来优化Lcr1和Lcr2两个变量。分别设计两组仿真，在第一组仿真中，把Lcr1设为变量，Lcr2设为1μm，Qf1=Qf2=2×1018cm-3，两电荷区间的距离Ldcr设为0.5μm。根据图5可以得出，此时BV随Lcr1长度的变化无明显的变化规律。因为靠近栅边缘的电荷区1的作用是降低栅边缘的电场集中，Lcr1的变化对此无明显变化。故选取0.5μm作为Lcr1的值。在第二组仿真中，Lcr1=0.5μm，Qf1=2×1018cm-3，Qf2=6×1018cm-3，Ldcr=0.5μm。由图6可知，BV随Lcr2的增加而显著增加，在Lcr2=3.5μm时得到最高的BV。这是由于电荷区CR2的作用是耗尽沟道中的2EDG，调控沟道电场分布。

图11.不同Qf2的转移特性曲线图12.不同Ldcr的击穿电压

优化两个电荷区之间的距离Ldcr，如图12所示。当Ldcr=0.4μm时，BV是最高的。最后，比较了HEMT和DCRL-HEMT在Vg=2V时的输出特性，如图13所示。与HEMT的Id相比，发现DCRL-HEMT的Id降低了，而但是下降也没有太多。结果得到较高的BV而没有太多电流崩溃。

图13.HEMT和DCRL-HEMT的输出特性

结论

4.在本文中，我们提出了一种通过掺杂氟离子而具有双电荷区势垒结构的晶体管。通过两个不同浓度电荷区域在沟道层中耗尽2EDG，调节栅极边缘和沟道层中的电场分布，并实现在不引起Id过多降低的情况下，达到了提高BV的目的。当电荷区1和电荷区2的长度分别为0.5μm、3.5μm，浓度分别为2e18、5e18时，DCBL-HEMT的击穿电压达到了284V。

5.

参考文献

Chow,T.P.,Tyagi,R.:Widebandgapcompoundsemiconductorsforsuperiorhigh-voltageunipolarpowerdevices.IEEETrans.ElectronDevices.41,1481-1483(1994)

Ambacher,O.,Foutz,B.,Smart,J.,etal.:TwodimensionalelectrongasesinducedbyspontaneousandpiezoelectricpolarizationinundopedanddopedAlGaN/GaNheterostructures.J.Appl.Phys.87,334-343(2000)

1.B.M.Green,K.K.Chu,E.M.Chumbes,etal.TheeffectofsurfacepassivationonthemicrowavecharacteristicsofundopedAlGaN/GaNHEMTs[J],IEEEElectronDeviceLetter.21,268-270(2000)

2.W.Saito,Y.Takada,andH.Ohashi,etal.HighBreakdwonVotageAlGaN-GaNPower-HEMTDesignandHighCurrentDensitySwitichingBehavior[J].IEEETransactionsonElectronDevices.50,2528-2531(2003)

3.Wang,Y.H.,Liang,Y.C.,Samudra,G.S.,etal.:6.5VhighthresholdvoltageAlGaN/GaNpowermetal-insulatorsemiconductorhighelectronmobilitytransistorusingmultilayerfluorinatedgatestack.IEEEElectronDeviceLett.36,381-383(2015)

4.Huang,H.,Liang,Y.C.,etal.:Au-freenormally-offAlGaN/GaN-on-SiMIS-HEMTsusingcombinedpartiallyrecessedandfluorinatedtrap-chargegatestructures.IEEEElectronDeviceLett.35,569-571(2014)

5.ZhangJing,ChenWanjun,etal.HighBreakdownVoltageEnhancement-modeAlGaN/GaNHFETDeviceBasedonEnergyBandModulationModel.RESEARCH&PROGRESSOFSSE.32,524-530(2012)

6.JiangfengDu,ZhiguangJiang,etal.DesignandsimulationofhighbreakdownvoltageAlGaN/GaNHEMTswithachargedpassivationlayerformicrowavepowerapplications[J],ComputElectron.16,741-747(2017)

7.Baliga,B.J.:Trendsinpowersemiconductordevices.IEEETrans.ElectronDevices.43,1717-1731(1996)

8.

9.