AlGaN/GaN HEMT 器件場板長度對擊穿電壓的影響

◎宋富虎 劉悅 張佳宜 陳沖

相比于第一，第二代半導體，GaN 半導體材料具有禁帶寬度大、擊穿場強高、電子飽和速度大、導熱性能好等優點。AlGaN/GaN HEMT 作為GaN 基電子器件的代表，在微波大功率領域有著廣闊的應用前景。

一、常規AlGaN/GaN?HEMT 器件基本結構

圖為常規AlGaN/GaN 高電子遷移率器件的結構圖，圖中器件由下至上分別為藍寶石（Sapphire）襯底層，藍寶石作為GaN 材料的襯底，其主要的優點有以下幾個方面，第一：藍寶石襯底的生產技術成熟、器件質量較好，第二、藍寶石的穩定性很好，適用于GaN 緩沖層的高溫生長，第三、藍寶石的機械強度高，易于實際生產中的處理和清洗。AlN 為器件成核層，成核層的引入主要用于提升器件外延生長的質量，一般AlN 的厚度為100nm 左右；然后是GaN 材料緩沖層，GaN 緩沖層上是AlGaN 勢壘層，具體方法為在GaN 晶體上生長上一層AlGaN，但由于GaN 和Al-GaN 晶體在(001)方向上不滿足反轉對稱性，故AlGaN/GaN 異質結面上存在很強的自發極化效應，同時又由于AlGaN 與GaN 為兩種不同的半導體材料，界面接觸處晶格會發生形變，引起很強的壓電極化效應]，通過兩種極化效應的相互增強，在AlGaN/GaN 異質結界面將誘導出大量正的極化電荷，由庫侖定律可知，正極化電荷會吸引帶有負電的電子向AlGaN/GaN異質結界面積累, 最終在AlGaN/GaN 交界面處的薄層將形成高密度二維電子氣（2DEG），理想狀態下二維電子氣指的是一種只能在AlGaN/GaN 異質結材料界面處自由移動的電子，在與異質結垂直的界面上不發生移動，但在器件實際工作中，由于源漏偏壓過大或二維電子氣本身的量子效應，其可以在AlGaN/GaN 異質結界面發生移動，形成反向柵泄露電流，影響器件的功能。柵下的GaN 層為器件的帽層結構，帽層結構的引入主要用于減小Al-GaN 界面的表面電荷缺陷。SiN 為器件的鈍化層，用于處理器件的表面結構，減小表面缺陷，降低柵反向泄漏電流。事實上，若柵極與漏極之間的鈍化層不與漏極相連，此時的SiN 鈍化層結構就被稱為場板結構(FP 結構)。S 為器件的源極，G 為器件的柵極，D 為器件的漏極，柵極主要用于控制器件的關斷，正向電壓下負電性的電子將在極化層處大量堆積，異質結表面將形成大量的二維電子氣（2DEG），此時在S 端和D 端外加偏壓，電子將發生定向移動，形成電流。保持G 端的柵電壓不變，隨著D端電壓的不斷增加，源漏間的電流將不斷升高。

二、不同場板長度對柵下電場強度的影響

器件柵電極制作完成之后，結構上柵極位置與其正下方的耗盡層相互垂直，外加柵極電壓后，耗盡層中的柵極電場線同樣與耗盡層垂直，但注意到外加漏極電壓后，在柵電極靠近源漏偏壓的邊緣處，耗盡層邊界電場線將發生嚴重的彎曲，且曲率很大。造成的結果為電場線密集的向柵電極邊緣集中，相同的偏壓下，柵極邊緣處耗盡層的峰值電場遠遠大于柵極正下方耗盡層的峰值電場，由于電場強度增大，柵極附近陷阱電荷增強，同時耗盡層內電子能量增強，碰撞電離率升高，且電子有足夠的運動距離用于其加速，器件在源、漏間發生雪崩擊穿發生的概率將大大提高，損毀器件。但在FP 結構中，雖然FP與柵電極相連，但并不直接與AlGaN 勢壘層相接觸，所以場板結構的電勢與AlGaN耗盡層電勢并不相等，外加偏壓下，也將產生垂直表面的縱向電場，改變耗盡層內的電場分布，從而分散峰值電場強度，提高器件的擊穿電壓。

在證明場板結構對擊穿電壓影響的仿真實驗中，我們需要以下步驟來完成，第一步，通過Silvaco 軟件編寫程序模出AlGaNGaN HEMT 器件的基本結構并設定器件的模型參數，器件的柵長為0.8um、源漏間距8.8um，柵漏間距4um，鈍化層厚度為60nm，第二步，在AlGaN/GaN HEMT器件的模型中調入業界已經成熟應用的程序模型，主要包括二維電子氣模型，遷移率模型、載流子生成-復合模型、碰撞電離模型，雪崩擊穿等模型等。最后，設計了SiN 場板長度分別為0.2um 和1um 的兩種結構。在鈍化層厚度為60nm 保持不變的情況下，柵下電場強度隨柵場板結構與源電極距離變化所得曲線，其結果如下圖所示，在Vd 為100V 時，漏場板長度為0.2um時的峰值電場為4.7×10-6V/cm，但漏場板長度增加到1um 身后，電場峰值變為兩個均勻的電場峰，強度分別為4.2×10-6V/cm和3.9×10-6V/cm，在根據橫坐標的位置關系，發現兩個漏場板長度為1um 的兩個電場峰值電分別位于柵電極邊緣和漏場板的邊緣，當漏場板從0.2um 增加到1um，即漏場板長度與柵樓間距的比例由5%增加到25%的過程中，柵下電場強度峰值下降15%左右。

通過仿真模擬，我們可以得出SiN 場板結構的引入的確能夠減小AlGaN/GaN HEMT 柵下峰值電場強度，一定長度的漏場板結構有助于分散器件的峰值電場，進而提高器件的擊穿電壓。

三、結語

AlGaN/GaN HEMT 由于其優良的材料特性，目前已經得到越來越廣泛的關注和研究，通過本次仿真實驗我們得出了器件柵下電場分布和場板長度的關系，為實際的器件設計中關于提高器件擊穿電壓的研究奠定了一定基礎，具有一定的使用意義。