InAlN/GaN/BGaN HEMT 的高溫直流特性研究

耿立新 ,趙紅東 ,任星霖 ,韓鐵成 ,劉 赫

(1.河北工業大學 電子信息工程學院,天津 300401;2.天津金沃能源科技股份有限公司,天津 300382)

晶格匹配的InAlN/GaN 異質結作為GaN 基高電子遷移率晶體管(HEMT) 器件的主要結構,因具有較強的自發極化效應,在高溫、高頻、高功率等領域得到廣泛關注[1-6]。特別是在高溫條件下,由于外部環境溫度的升高以及器件本身的自熱效應,傳統的InAlN/GaN HEMT 器件仍然存在閾值電壓漂移、飽和輸出電流降低、器件關斷困難等問題,這嚴重影響了器件的性能。因此,尋找提高InAlN/GaN HEMT 器件熱穩定性的方法具有重要意義。

纖鋅礦結構的BGaN 材料具有較小的晶格常數[7-9],因壓電極化效應在GaN/BGaN 異質結界面產生大量負極化電荷,可充當背勢壘結構,從而阻止溝道電子溢出至緩沖層,提高器件的關斷速度,抑制短溝道效應[10-11]。與此同時,BGaN 材料作為背勢壘結構有利于傳統的AlGaN/GaN HEMT 器件在高溫條件下的應用[12]。但目前關于BGaN 材料對InAlN/GaN HEMT 器件的高溫性能影響未見相關報道。因此,本文應用ATLAS 二維仿真軟件設計了InAlN/GaN/BGaN 異質結HEMT 器件,并首次研究了該器件在高溫條件下的直流性能。為了更好地說明該器件的優勢,同時模擬了傳統的InAlN/GaN HEMT 器件作為對比[13]。

1 器件結構及仿真介紹

兩器件橫截面結構如圖1 所示。圖1 (a) 表示傳統的InAlN/GaN HEMT 器件,圖1(b) 為帶有BGaN緩沖層結構的InAlN/GaN/BGaN HEMT 器件。其中,InAlN/GaN HEMT 器件包含2 μm 半絕緣GaN 緩沖層、1 nm AlN 插入層、8 nm In0.17Al0.83N 勢壘層以及130 nm SiN 鈍化層。將InAlN/GaN HEMT 中的GaN 緩沖層替換為1 μm B0.015Ga0.985N 緩沖層和30 nm GaN 溝道層即得到InAlN/GaN/BGaN HEMT 器件,兩器件均采用SiC 材料作襯底。柵長為70 nm 且位于源漏兩電極中間的T 型柵極采用肖特基接觸,源極和漏極定義為歐姆接觸。

文獻[14-15]介紹了傳統的InAlN/GaN HEMT 器件的校準過程,保證了仿真結果的準確性。為進一步討論該器件在高溫條件下的直流特性,在原校準結果的基礎上加入了晶格加熱以及熱產生模型。由于考慮了自加熱效應,所報道的器件性能相對于原校準器件有所退化。圖2 顯示了漏極電壓(VDS) 為7 V 時,傳統的InAlN/GaN HEMT 器件在不考慮自熱效應與考慮自熱效應兩種情況下對應的漏極電流(IDS) 以及跨導(Gm) 隨柵極電壓(VGS) 的變化關系。考慮自熱效應后,器件的峰值跨導與最大漏極電流分別降低約14.3%和15.7%,這主要是由于晶格加熱導致電子遷移率下降所引起[16]。在此基礎上,模擬分析了圖1 所示兩器件溫度由室溫(300 K) 上升至500 K 時的轉移特性與輸出特性,其中溫度間隔為50 K。

圖1 (a) InAlN/GaN HEMT 與(b) InAlN/GaN/BGaN HEMT 器件結構示意圖Fig.1 Device structure diagrams of (a) InAlN/GaN HEMT and (b) InAlN/GaN/BGaN HEMT

圖2 InAlN/GaN HEMT 器件在不考慮自熱效應與考慮自熱效應時對應的漏極電流以及跨導隨柵極電壓的變化關系Fig.2 The relationship of drain current and transconductance with gate voltage in InAlN/GaN HEMT device without self-heating and with self-heating

2 結果與討論

2.1 溫度變化對器件轉移特性的影響

圖3 顯示了兩器件在漏極電壓為7 V 時,溫度由室溫上升至500 K 所對應的轉移特性曲線。由圖可以看出,隨著溫度升高,兩器件的漏極電流因電子遷移率下降而明顯降低。除此之外,InAlN/GaN/BGaN HEMT 器件的漏極電流要低于傳統的InAlN/GaN HEMT 器件,這主要是由于InAlN/GaN/BGaN HEMT 器件的二維電子氣(2DEG) 濃度較低所引起[11]。

圖3 (a) InAlN/GaN HEMT 與(b) InAlN/GaN/BGaN HEMT 器件在不同溫度下的轉移特性Fig.3 The transfer characteristics of (a) InAlN/GaN HEMT and (b) InAlN/GaN/BGaN HEMT at different temperatures

根據轉移特性曲線,提取得到兩器件在不同溫度下的閾值電壓(VTH),如圖4 所示。可以看出,隨著溫度的升高,InAlN/GaN/BGaN HEMT 器件的閾值電壓始終保持在-3.2 V 左右,而InAlN/GaN HEMT 器件的閾值電壓變化幅度則相對較大,這主要是由于溫度升高導致器件的電子濃度降低且限域性變差所引起。

圖4 兩器件的閾值電壓隨溫度的變化關系Fig.4 The relationship between the threshold voltage and temperature of two devices

圖5 進一步計算了兩器件的跨導隨溫度的變化關系。隨著溫度升高,器件的電子遷移率變差,導致柵極對溝道的控制能力減弱,跨導減小。對于InAlN/GaN/BGaN HEMT 器件而言,即使在高溫條件下,關斷區域的跨導仍然保持陡峭的變化率,具有較高的開關速度,這主要由于引入BGaN 緩沖層后,器件在高溫條件下仍然保持良好的電子限域性,器件的開啟或關閉更容易。從圖中還可以看出,傳統的InAlN/GaN HEMT 器件在高溫條件下的關斷速度退化更嚴重。

圖5 (a) InAlN/GaN HEMT 與(b) InAlN/GaN/BGaN HEMT 器件在不同溫度下的跨導特性曲線Fig.5 The transconductance characteristics of(a) InAlN/GaN HEMT and (b) InAlN/GaN/BGaN HEMT at different temperatures

圖6 反映了兩器件的峰值跨導隨溫度的變化關系。引入BGaN 緩沖層后,InAlN/GaN/BGaN HEMT 器件的2DEG 濃度降低,通道電阻增大,導致跨導低于傳統的InAlN/GaN HEMT 器件。溫度由室溫上升至500 K 時,兩器件的峰值跨導均降低約56%,但兩者的峰值跨導之差由23 mS/mm 減小至8 mS/mm,峰值跨導差距隨溫度升高逐漸縮小。

圖6 兩器件的峰值跨導隨溫度的變化關系Fig.6 The relationship between the peak transconductance and temperature of two devices

與此同時,計算了漏電壓為7 V 時,兩器件在不同溫度下的亞閾值擺幅(SS),如圖7 所示。一般來說,亞閾值擺幅數值越大,短溝道效應越明顯。由圖可知,兩器件的亞閾值擺幅數值均與溫度呈正相關,這表明器件的短溝道效應隨溫度的升高變得越來越明顯。計算得出,溫度由室溫上升至500 K 時,InAlN/GaN HEMT 器件的亞閾值擺幅由860 mV/dec 上升至1990 mV/dec,增加約131.4%;而InAlN/GaN/BGaN HEMT 器件的亞閾值擺幅由192 mV/dec 上升至366 mV/dec,增加約90.6%,并且始終明顯低于傳統的InAlN/GaN HEMT 器件。這表明,無論在室溫還是高溫條件下,BGaN 緩沖層的引入均有效抑制了短溝道效應,同時減弱了器件的高溫退化程度。這主要是由于引入BGaN 緩沖層后,器件在室溫以及高溫下均保持良好的電子限域性以及較強的柵控能力。

圖7 兩器件的亞閾值擺幅隨溫度的變化關系Fig.7 The relationship between the subthreshold swing and temperature of two devices

2.2 溫度變化對器件輸出特性的影響

圖8 展示了柵極電壓固定為1 V 時,兩器件在不同溫度下的輸出特性曲線。由圖可得,兩器件的膝點電壓均隨溫度的升高呈向右移動的趨勢,但InAlN/GaN/BGaN HEMT 器件的飽和漏電流(IDSsat) 相對平穩,沒有出現明顯的負阻現象。圖9 進一步對比了漏極電壓為10 V 時,兩器件在不同溫度下的飽和漏電流。由圖可以看出,由于2DEG 濃度較低,InAlN/GaN/BGaN HEMT 器件的飽和漏電流始終低于傳統的InAlN/GaN HEMT 器件。但隨著溫度的升高,兩器件的飽和漏電流之差由室溫下的0.42 A/mm 下降至500 K 時的0.18 A/mm,這與峰值跨導性能類似。

圖8 VGS=1 V 時,(a) InAlN/GaN HEMT 與(b)InAlN/GaN/BGaN HEMT 器件在不同溫度下的輸出特性曲線Fig.8 The output characteristics of (a) InAlN/GaN HEMT and (b) InAlN/GaN/BGaN HEMT at different temperatures with VGS=1 V

圖9 VDS=10 V 且VGS=1 V 時,兩器件在不同溫度下的飽和漏電流Fig.9 The saturation drain current of two devices at different temperatures with VDS=10 V and VGS=1 V

為進一步分析兩器件的關態熱穩定性,測得漏電壓為15 V 且柵電壓為-12 V 時的關態漏電流(Ioff),并計算得到相應的關斷耗散功率(PD)[17],結果如圖10 所示。對于InAlN/GaN HEMT 器件而言,溫度由室溫上升至500 K 時,關態漏電流提升約3 個數量級,500 K 時達到2.38 mA/mm;而InAlN/GaN/BGaN HEMT 器件僅提高約1 個數量級,500 K 時的關態漏電流為3 μA/mm。由于關態漏電流較小,高溫下InAlN/GaN/BGaN HEMT 器件的關斷耗散功率明顯較低,溫度達到500 K 時為45 μW/mm,而InAlN/GaN HEMT 器件則達到36 mW/mm,關斷耗散功率明顯升高。這主要是由于溫度升高,導致大量電子溢出至緩沖層,引起嚴重漏電。

圖10 VDS=15 V 且VGS=-12 V 時,兩器件在不同溫度下的關態漏電流與關斷耗散功率Fig.10 The off-state drain current and dissipation power of two devices at different temperatures with VDS=15 V and VGS=-12 V

3 結論

通過與傳統的InAlN/GaN HEMT 器件的高溫直流特性作對比,理論上證明了InAlN/GaN/BGaN HEMT器件在高溫條件下的應用優勢。結果表明,InAlN/GaN/BGaN HEMT 器件明顯改善了不同溫度下的閾值電壓漂移、器件關斷困難、柵控能力較差等短溝道效應現象。同時,隨著溫度的升高,所研究器件的峰值跨導和飽和漏電流與傳統器件的差距逐漸減小。此外,引入BGaN 緩沖層后,器件的關態熱穩定性進一步提高,具體表現在關態漏電流和關斷耗散功率均明顯低于傳統的InAlN/GaN HEMT 器件。這對晶格匹配的InAlN/GaN HEMT 器件在高溫條件下的應用具有一定的參考意義。