GaN HEMT微波功率器件的擊穿特性研究

周國友通信作者，陸志航，葛明昌

合肥工業大學，安徽合肥，230009

0 引言

現代移動通信、雷達、電子戰裝備等都離不開射頻/微波收發系統，其中射頻/微波功率放大器是射頻/微波收發前端最重要的電路之一，同時也是最主要的成本支出和功率消耗。隨著5G通信的發展與普及[1]，射頻功率放大器的需求越來越廣泛。通常情況下，設計功率放大器的基本要求為各項性能指標均要良好并綜合平衡[2]。因此就需要提高功率放大器的相關性能指標，由于氮化鎵高電子遷移率管（GaN HEMT）微波功率器件是目前主流射頻大功率放大器的最重要組成部分，故本文的工作主要是圍繞GaN HEMT微波功率器件的擊穿特性進行研究。

GaN的優異材料性能增加了高功率和高頻應用中基于AlGaN/GaN HEMT的需求，GaN的良好特性（例如：帶隙大、更高的溫度穩定性、更高的電子遷移率、良好的導熱性）使其成為Si和GaAs的良好替代品。AlGaN/GaN異質結具有更大的能帶差、更強的極化效應，在不進行任何摻雜的情況下，可以在GaN緩沖層靠近AlGaN勢壘層一側的量子阱中產生濃度高達1013/cm2的二維電子氣（2DEG）。

然而，常規結構GaN HEMT器件的溝道中形成的電場分布不均勻，導致器件的實際擊穿電壓與GaN材料的理論擊穿極限偏差較大。GaN HEMT器件也同樣存在一些缺陷，包括材料、結構上的固有缺陷和加工制備過程中造成的其他缺陷。GaN HEMT器件的缺陷主要有材料的表面態缺陷、不同材料界面處的缺陷、材料內部的體缺陷，這些缺陷會導致GaN HEMT器件的輸出電流和功率密度減小，嚴重影響器件的性能。因此，為了改善器件的擊穿特性，盡可能地提高其擊穿電壓，對器件結構的研究便受到了格外的關注[3]。

1 器件結構與模型

AlGaN/GaN HEMT微波功率器件的結構如圖1所示，從下往上連同襯底和三層外延結構一共有四層。最下面是厚度為20μm的SiC襯底層，在襯底上面外延生長厚度為1μm的GaN緩沖層，在緩沖層上面外延生長一層厚度為20nm的AlGaN勢壘層。柵極長度為0.25μm，柵極金屬與AlGaN勢壘層為肖特基接觸；源極和漏極金屬與GaN緩沖層為歐姆接觸。在源極、漏極下方和GaN緩沖層分別摻雜一些雜質，濃度分別為1018/cm3和1017/cm3，并且引入了柵場板、一重源場板和二重源場板，最后在電極、場板和AlGaN勢壘層上再外延生長一層鈍化層[4]。

圖1 器件結構圖

使用SILVACO TCAD進行器件的仿真，除了選擇基本方程和數值計算方法外，物理模型選用費米統計模型、SRH復合模型、平行電場遷移率FLDMOB模型和極化模型等。網格設置十分重要且繁瑣，合理的網格設置可以確保仿真結果的可靠性。在電極與半導體材料的接觸面、導電溝道、材料摻雜、異質界面處通常需要設置相對密集的網格，而在后續的仿真過程中會出現數值迭代計算不收斂的情況，因此需要分析不收斂的原因，及時調整網格或數值迭代算法[5]。

2 仿真結果與分析

在對柵場板結構器件進行擊穿特性仿真的時候，設置柵極反向偏置電壓為-5V，仿真得出器件的閾值電壓約為-3V，因此可以保證器件始終處于關斷狀態。圖2所示為不同長度柵場板結構器件的擊穿特性曲線，為了方便觀察電流的變化趨勢，將漏極電流取對數表示，定義擊穿電壓為漏極電流是10-8量級時的電壓值。當器件柵極靠近漏極一側沒有場板時，擊穿電壓約為90V；在器件柵極靠近漏極一側添加場板后，可以觀察到擊穿電壓在逐漸增加；當柵場板長度達到0.95μm時，再增加柵場板的長度，擊穿電壓開始趨于不變，此時器件的擊穿電壓最大約為120V；繼續增加柵場板到較長的長度，此時擊穿電壓會下降到比無場板結構器件的擊穿電壓還低。

圖2 不同柵場板長度的器件的擊穿特性曲線

圖3詳細地說明了擊穿電壓下不同長度柵場板器件導電溝道中的橫向電場分布情況。對柵場板長度LGFP較短的器件，場板對溝道電場的調制優化作用較弱，難以有效地降低柵電極邊緣的電場峰值。然而當柵場板長度LGFP不斷增加時，溝道內電場的分布越趨于均勻，擊穿電壓也逐漸增加。從圖中可以看出當柵場板長度LGFP為0.95μm、1.15μm時，電場分布最均勻，此時器件的擊穿電壓為最大值。然而當柵場板長度LGFP增加至1.95μm時，此時柵場板過長，與漏極的相互作用增強，導致溝道中的平均電場值降低，弱化了場板對溝道電場的調制作用，反而導致器件的擊穿電壓減小。

圖3 不同柵場板長度的器件在擊穿下的溝道橫向電場分布圖

圖4所示為不同長度一重源場板結構器件的擊穿特性曲線。當一重源場板的長度為0μm時，擊穿電壓約為90V；不斷增加其長度，可以觀察到擊穿電壓在逐漸增加；當長度達到0.8μm時，再增加一重源場板的長度，擊穿電壓開始趨于不變，此時器件的擊穿電壓最大約為106V；然后繼續增加到較長的長度，此時擊穿電壓會下降到比長度為0μm時的擊穿電壓還低。

圖4 不同一重源場板長度的器件的擊穿特性曲線

圖5所示為擊穿電壓下不同長度一重源場板器件的導電溝道中的橫向電場分布情況，從圖中可以看出，一重源場板對溝道電場的影響與柵場板類似。隨著一重源場板長度的增加，溝道內電場的分布越趨于均勻，擊穿電壓也逐漸增加。從圖中可以看出當一重源場板長度LSFP1為0.6μm、0.8μm和1μm時，電場分布最均勻，電場線關于X的面積分值最大，即器件的擊穿電壓為最大值。然而當一重源場板長度LSFP1增加至1.6μm時，此時源場板與漏極的間距較小，由于兩者之間的相互作用增強導致一重源場板邊緣的電場峰值顯著降低，電場線下所包含的總面積也變得較小，反而導致器件的擊穿電壓減小。

圖5 不同一重源場板長度的器件在擊穿下的溝道橫向電場分布圖

在一重源場板優化的基礎上，再引入第二重源場板，根據GaN HEMT工藝，第二重源場板采用M2層。圖6所示為不同長度二重源場板結構的器件的擊穿特性。從圖中可以看出，二重源場板不能很顯著地提高器件的擊穿電壓，這是由于二重源場板距離器件的導電溝道較遠。通過增加其長度，器件的擊穿電壓增加了1～2V，二重源場板的優化長度值LSFP2為0.2～0.6μm。

圖6 不同二重源場板長度的器件的擊穿特性曲線

圖7所示為擊穿電壓下不同二重源場板長度的器件的溝道橫向電場分布。對比圖中兩個虛線橢圓內的曲線，當逐漸增加二重源場板的長度，左邊橢圓內的電場線呈向下變化的趨勢，而右邊橢圓內的電場線則是相反的變化趨勢。由此可以得出二重源場板也起到調制電場的作用，使得溝道內的電場更加均勻分布，但是由于其距離器件的GaN緩沖層導電溝道太遠，對電場的調制作用非常有限，所以器件的擊穿電壓的變化趨勢相對沒有那么明顯。

圖7 不同二重源場板長度的器件在擊穿下的溝道橫向電場分布圖

從以上的研究分析可知，影響擊穿電壓的三個主要變量參數為柵場板長度LGFP、一重源場板長度LSFP1、二重源場板長度LSFP2。柵極邊緣靠近漏極一側的電場主要受柵場板的影響，可以通過優化柵場板的長度LGFP來抑制峰值電場。所以，本文先固定柵場板的長度來調整柵極邊緣的電場峰值，使其接近但不高于臨界電場值。綜合上述分析加仿真結果，柵極場板長度設置為0.25μm。同時，對于二重源場板的有效長度LSFP2也可以先確定下來，即二重源場板的有效長度LSFP2為0.2μm，所以在多重場板結構的器件仿真中，重點研究的參數是其中的一重源場板的長度LSFP1。

圖8所示為多重場板結構的器件的擊穿特性曲線，noFP表示沒有場板時的擊穿電壓。從圖中可以看出，隨著一重源場板長度LSFP1的增加，器件的擊穿電壓的增長速度逐漸變緩。當一重源場板長度LSFP1為0.6μm時，此時器件的擊穿電壓達到飽和值110V。雖然優化后的多重場板結構器件的擊穿電壓沒有單純柵場板器件的最優值120V高，但這是綜合考慮GaN HEMT微波功率器件的射頻性能所取的折中值，因此相對于無場板結構的器件來說，優化后的多重場板結構的器件的擊穿電壓提升了約22%。

圖8 多重場板器件的擊穿特性曲線

圖9所示為擊穿電壓下多重場板結構器件的導電溝道中的橫向電場分布情況。由于器件結構中包含柵場板、一重源場板和二重源場板三種場板結構，所以溝道中的電場分布曲線會出現4個峰值，但是由于二重源場板對電場的調制作用很弱，所以在圖中可以明顯看到3個峰值，即除了柵極邊緣的峰值外，在柵場板和一重源場板的邊緣各會出現一個電場峰值。并且隨著一重源場板長度的增加，溝道中的電場分布更加趨于均勻。

圖9 多重場板器件擊穿下的溝道橫向電場分布圖

3 結語

通過TCAD軟件仿真GaN HEMT微波功率器件的二維電學特性，得出場板的優化規律。其中柵場板最優長度為0.95μm，最大擊穿電壓為120V。一重源場板最優長度為0.6～0.8μm，最大擊穿電壓為106V。二重源場板最優長度為0.2～0.6μm，雙重源場板結構器件的最大擊穿電壓為107.5V。優化后的多重場板結構器件的柵場板長度為0.25μm、一重源場板長度為0.6μm、二重源場板長度為0.2μm，多重場板結構器件的擊穿電壓為110V，相對于無場板結構器件提高了約22%。