AlGaN/GaN HEMT電學特性的ATLAS模擬

摘要：分析了AlGaN/GaN HEMT器件的結構及特性，2DEG的濃度與器件的電學特性的關系。在仿真軟件ATLAS上構建器件模型，對器件的轉移特性和輸出特性進行了模擬仿真，并對仿真結果進行分析。

關鍵詞：AlGaN/GaN HEMT；2DEG；轉移特性；輸出特性

1 緒論

近年來，GaN半導體材料以其寬禁帶、強擊穿電場、高電子遷移率等優越的物理特性，在電子器件領域得到了迅速的發展。GaN基器件更適合工作在高溫、高壓和高頻等復雜條件下。AlGaN/GaN HEMT由于在其異質結界面形成了高密度、高遷移率的二維電子氣，有良好的大功率和高頻特性，成為無線通信、電力電子等領域的核心器件。但是受材料生長質量、器件結構以及制備加工技術等因素的限制，GaN基HEMT的電學性質受到材料表面高密度缺陷太、較大柵極漏電流等問題的制約，出現過早擊穿、電流崩塌及高場應力退化等問題。本文基于ATLAS軟件對AlGaN/GaN HEMT的電學特性進行模擬，從而分析器件的電學性質，對器件的結構優化有一定的指導作用。

2 器件的結構

AlGaN/GaN HEMT是一種以高遷移率的2DEG作為導電溝道的器件，在AlGaN/GaN異質結界面能夠形成量子阱與帶階，電子分布于量子阱中，形成可沿著異質結界面左自由運動而在垂直于異質結界面方向運動受限制的2DEG。器件的肖特基勢壘柵極利用柵壓來控制2DEG溝道的開啟與關閉。

AlGaN/GaN HEMT的結構如圖1所示，柵極采用肖特基接觸，源漏極為歐姆接觸。器件的制作中一般使用MOCVD依次在藍寶石襯底淀積AIN緩沖層、未摻雜的GaN層和一定厚度的AlGaN勢壘層。為了減小HEMT中的電流崩塌效應，在柵源和柵漏之間制作鈍化層。器件工作時，源漏電壓形成的橫向電場使溝道中的2DEG沿著異質結界面傳輸，形成穩定的輸出電流，肖特基極則通過柵壓控制2DEG耗盡，實現溝道的開啟和關閉。

2DEG的密度與AlGaN/GaN HEMT器件的電學特性的關聯非常密切，而產生2DEG的原因是由于極化效應的存在。柵極電壓可以通過改變溝道2DEG的密度而達到控制器件工作狀態的作用。極化包括自極化PSP和壓電極化PPZ，如果我們假定GaN處于完全弛豫狀態，則其極化的總量就只包含自發激化。而對于AlGaN來說，極化除了自發激化之外，還包括由于晶格常數不匹配引起的壓電極化分量。其應力表達式為：

ε=（1-r）aAlGaN-aGaNaAlGaN（1）

式中ε表示AlGaN所受到的應力；r表示應變弛豫度；aAlGaN、aGaN分別表示AlGaN、GaN的晶格常數。

AlGaN層的壓電極化分量可表示為：

PPz（AlGaN）=2ε（e31-e33c13/c33）（2）

式中e31和e23為壓電常數；c13和c33為彈性常數。

忽略極化適量的水平分量，假定只有極化矢量的垂直分量起作用，則AlGaN總的極化矢量等于其自發極化分量和壓電極化分量的總和。可表示為：

PTz（AlGaN）=PSP（AlGaN）+PPz（AlGaN）（3）

受極化效應的影響，在AlGaN勢壘層表面和AlGaN/GaN異質結界面處產生了極化電荷。AlGaN表面和AlGaN/GaN異質結界面處的電荷面密度的表達式為：

（4）

器件的溝道中的漏電流若用準二維的方法，其表達式為：

IDS=-qWv（z）ns（z）（5）

式中，W是溝道寬度；v是電子的速度；σ為而為電子氣濃度，它是溝道位置z和柵壓的函數。

極化電荷受到Al組分的分量、勢壘高度等因素的影響。在ATLAS中包含了很多物理模型，對器件進行模擬時需要進行合理的篩選。在AlGaN/GaN HEMT器件中，介電常數的各向異性對電學特性有很重要的作用，在仿真是采用各向異性模型。而GaN為寬禁帶半導體材料，故在異質結的模擬中用費米統計。

3 器件的電學特性仿真

在用ATLAS軟件進行仿真時首先搭建模擬所用的器件模型，如圖2所示，器件的GaN層厚度是1.475μm，而非故意摻雜的AlGaN勢壘層的厚度為25nm.而在柵極兩側的氮化物鈍化層的厚度為0.5μm。柵極的寬為2μm，厚度為0.5μm.源極和漏極的寬度為0.5μm，厚度為0.1μm。在仿真時用到載流子遷移率模型以及極化模型等。

圖3為模擬仿真得到的器件的轉移特性曲線，柵極所加電壓最小值為10V，最大值為1V，漏源偏壓為1V。從仿真結果可以看出，器件的開啟電壓大約在6V。在大于開啟電壓后，漏極電流隨著柵壓的增大而先增加后趨于飽和。

圖4和圖5分別為考慮晶格加熱效應和不考慮晶格加熱時的輸出特性曲線，器件的工作溫度為300K。柵極偏壓分別為0V，1V，2V，3V，漏源偏壓從0V到16V。從圖中可以看出AlGaN/GaN HEMT的飽和電壓比較高，考慮晶格加熱效應時曲線比較平緩更能體現器件的真實電學特性。

4 結論

分析了AlGaN/GaN HEMT器件的結構及特性。對于AlGaN/GaN HEMT器件來說，二維電子氣濃度主要是由界面處的極化效應引起的。器件的電學性質由二維電子氣濃度決定。我們通過仿真軟件對AlGaN/GaN HEMT器件的電學特性進行了模擬仿真。從結果來看AlGaN/GaN HEMT器件的開啟電壓和飽和電壓都比較高。表現出良好的電學特性。

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項目基金：貴州省2014年聯合基金項目（黔科合LH字[2014]7181號）

作者簡介：張子硯（1979），女，甘肅白銀人，碩士，講師，微電子學與固體電子學。