顧江王強魯宏

AlGaN/GaN高速電子遷移率晶體管器件電流坍塌效應與界面熱阻和溫度的研究

顧江1)王強2)魯宏1)

1)(常熟理工學院物理電子系，常熟215500)
2)(南通大學電子信息學院，南通226019)
(2010年10月7日收到;2010年10月22日收到修改稿)

本文系統(tǒng)研究了AlGaN/GaN基高速電子遷移率晶體管器件界面熱阻和工作溫度對器件在高功率下的電流坍塌效應的影響規(guī)律．研究發(fā)現(xiàn)低漏極電壓下熱電子是導致負微分輸出電導的重要因素，器件工作溫度變高會使負微分輸出電導減?。呗O電壓下自加熱效應是導致電流坍塌的一個重要因素．隨著界面熱阻的增加，器件跨導降低，閾值電壓增大．同時，由于工作環(huán)境溫度的增高，器件隨之溫度增高，載流子遷移率會顯著降低．最終這兩種因素會引起AlGaN/GaN基高速電子遷移率晶體管器件顯著的電流坍塌效應，從而降低了器件整體性能．

AlGaN/GaN HEMT器件，熱電子效應，自加熱效應，電流坍塌效應

PACS:71．55．Eq，73．40．Lq，73．61．－r

1.引言

近年來，AlGaN/GaN高速電子遷移率晶體管(HEMT)由于其潛在的優(yōu)越性能，引起了人們的廣泛關注，它具有較高的頻率特性，可以輸出較高的微波功率，廣泛地應用于基站信號傳輸、遠距離空間通信等需要較高功率的場合［1—3］．目前，GaN基HEMT器件已經(jīng)走向了實用化的階段，發(fā)揮著關鍵性的作用，但是電流坍塌效應和自加熱效應依然是制約該器件性能提高的兩個主要因素［4—7］．為了進一步提高器件的性能，以降低這兩種效應的不利影響，對器件的結(jié)構進行優(yōu)化設計是非常重要的．由于GaN基HEMT器件的制備工藝復雜，周期長且價格昂貴，為降低開發(fā)費用，提高產(chǎn)品性能，器件模擬成為實驗之外一種非常重要的工具［8，9］．通過器件模擬技術，可以深入了解制約器件性能的物理機理，為器件結(jié)構的優(yōu)化設計提供理論指導［8，10］．到目前為止，人們做了大量的數(shù)值模擬工作，分析制約器件在實際應用條件下性能提高的主要原因并提出了一些理論解析模型［11—14］，其中較為典型的有柵延遲電流坍塌效應模擬［15］，漏延遲電流坍塌效應模擬［14］，自加熱效應和量子、熱電子效應模擬［4，5，16］，虛柵模型［15，17］等等．盡管如此，關于器件界面熱阻、工作溫度對電流坍塌效應的影響并沒有進行詳細的研究和討論．

因此本文的主要目的就是通過二維數(shù)值模擬來分析影響AlGaN/InGaN/GaN HEMT器件穩(wěn)定性和可靠性的關鍵物理機理．在模擬中，考慮了器件的工作溫度和界面熱阻(即考慮了傳熱性質(zhì))對自加熱和熱電子效應的影響，從而達到對器件在不同環(huán)境和工藝條件下性能的考察．研究結(jié)果表明:隨著界面熱阻的增加，器件跨導降低，閾值電壓增大，電流坍塌效應變得嚴重;隨著工作環(huán)境溫度增高，器件溫度增高，載流子遷移率降低，器件性能降低．下面就對所做的工作進行詳細地說明．

2.器件結(jié)構和基本參數(shù)

模擬中所采用的HEMT器件的結(jié)構和坐標方

向如圖1所示，由于AlGaN/InGaN層間導帶能量不連續(xù)導致InGaN層具有較高的二維電子氣(2DEG)濃度并作為溝道區(qū)域的中心．在AlGaN，InGaN和GaN各層之間存在著由自發(fā)極化電荷和壓電極化電荷組成的表面電荷［5，11，18］，理論計算Al0.3Ga0.7N/ In0.015Ga0.985N界面電荷的值在(1.5—1.7)×1013cm－2附近，但部分應變弛豫可能導致極化電荷減少，即形成了大量的界面陷阱中和極化電荷共存現(xiàn)象［19，20］．因此，在所有模擬中我們采用的有效界面電荷密度為1.15×1013cm－2．我們采用了背景摻雜，摻雜濃度為1×1014cm－3［14］，根據(jù)實驗觀察的結(jié)果［21］表明如果Al的摩爾分數(shù)每增加1%，那么柵極處的肖特基勢壘高度相應地約增加0.02 V，對于Ni/Au金屬電極在30%鋁組分的AlGaN層形成肖特基接觸的條件下，肖特基勢壘高度為1.55 V．在模擬中，忽略了熱導率隨環(huán)境溫度的變化，取熱導率為常數(shù)，AlN的熱導率為2.7 W/cmK，GaN的熱導率為1.30 W/cmK［22］．界面材料阻抗的不同導致了熱耦合，決定了熱邊界阻(TBR)的大小．界面的晶格失配也會使TRB增大．器件過熱和性能的減弱實質(zhì)上是由于TRB導致的．所以模擬中加上熱電極，考慮了熱傳輸方程，熱導率系數(shù)k大小假設為與溫度無關．

由于本文一部分工作為探究界面熱阻(即熱邊界阻TRB)對器件性能的影響，在我們的模擬中考慮了電極和襯底的TRB，模擬中源極、柵極、漏極界面熱阻和襯底界面熱阻采用三組數(shù)據(jù)(單位為K/ W):max組為1×10－3，1×10－3，1×10－3和1× 10－4;min組為1×10－4，1×10－4，1×10－4和1× 10－5;mid組為5×10－4，5×10－4，5×10－4和5× 10－5．其他材料參數(shù)如表1所示．

3.模擬結(jié)果與討論

3.1.不同界面熱阻下的器件性能的研究

如圖2所示，模擬不同界面熱阻時的輸出特性曲線．其中:1)綠、藍實線為實驗測量的柵電壓Vg分別為0 V，－2 V時輸出特性曲線;2)黑色正方形實心線為模擬的柵電壓Vg為－2 V時輸出特性曲線，紅色圓圈空心線為模擬的柵電壓Vg為0 V時輸出特性曲線，模擬中界面熱阻為mid;3)棕色上三角空心線為模擬的柵電壓Vg為－2 V時輸出特性曲線，綠色下三角實心線為模擬的柵電壓Vg為0 V時輸出特性曲線，模擬中界面熱阻為max．

圖2 顯示當漏極電壓很大時，隨著漏極電壓增加，漏極電流降低，出現(xiàn)了電流坍塌效應．同時界面熱阻越大，電流坍塌越嚴重．當界面熱阻為較大值max時，模擬的漏極電流比實驗値小，當界面電阻為較小值mid時，模擬的漏極電流比實驗値大．所以該HEMT器件的實際界面熱阻應該在這兩個模擬設定的界面熱阻之間．圖3給出了最大晶格溫度隨漏極電壓的變化圖．其中，實心的正方形、圓形、三角形線表示柵電壓Vg分別為0 V，－1 V，－2 V時最大晶格溫度隨漏極電壓的變化圖——界面熱阻為max;空心的正方形、圓形和三角形線為柵電壓Vg分別為0 V，－1 V，－2 V時最大晶格溫度隨漏極電壓的變化圖——界面熱阻為mid;特殊記號的正方形、圓形、三角形線表示柵電壓Vg分別為0 V，－1 V，－2 V時最大晶格溫度隨漏極電壓的變化圖——界面熱阻比較小為min．

圖3 顯示隨著界面熱阻的增加，晶格溫度增加．界面熱阻為max時的晶格溫度遠遠大于界面熱阻比較小時的晶格溫度，Vg=0 V時最高溫度達到660 K，升高了將近360 K．

圖4為器件界面熱阻為1×10－4時，遷移率、晶格溫度及它們在熱點位置處沿著垂直方向(Y方向)的分布情況，可以看出在垂直方向上，溫度緩慢地降低，從最高處的391 K降到最低處的311 K，大約降低了80 K，在漏邊柵極處，出現(xiàn)了明顯的“熱點”(hot spot);遷移率逐漸升高，從最低的44.4 cm－2/Vs上升到1053.52 cm－2/Vs，InGaN中遷移率降最低值大約為44 cm－2/Vs，遠遠低于常溫的2400 cm－2/Vs．遷移率的最低點和器件晶格溫度的“熱點”所處的位置是一致的，而且隨著晶格溫度的升高，遷移率降低．這是因為在柵極漏邊處，存在著嚴重的自加熱效應使得晶格振動大大增強，電子-聲子散射增強，從而導致遷移率大幅降低InGaN層作為溝道的中心區(qū)域溫度最高，電子遷移率最低．

圖4 柵極漏邊處AlGaN/InGaN/GaN結(jié)構HEMT器件的(a)遷移率等高線圖和(b)晶格溫度等高線圖．(c)圖垂直方向的晶格溫度分布和電子遷移率分布，X=0.17μm．模擬條件為Vd=20 V和Vg=0 V

結(jié)合上面三幅圖，可以看到，隨著界面熱阻的增加，晶格溫度增加，自加熱現(xiàn)象明顯，遷移率降低，從而導致漏極電流降低．特別是當漏極電壓比較大時，自加熱更嚴重，晶格溫度過高，導致漏極電流下降明顯，從而出現(xiàn)了明顯的電流坍塌效應，造成器件在高場下的穩(wěn)定性和可靠性降低．

3.2.不同環(huán)境溫度下器件的性能研究

圖5所示為AlGaN/InGaN/GaN結(jié)構HEMT器件的轉(zhuǎn)移特性曲線(Id-Vg)．其中，紅色虛線為外界環(huán)境T=300 K時的實驗數(shù)據(jù)，藍色點線為外界環(huán)境T=300 K時不考慮自加熱時的模擬數(shù)據(jù)，黑色實線為外界環(huán)境T=300 K時的考慮自加熱時模擬數(shù)據(jù)，界面熱阻為min;紅色圓圈線為外界環(huán)境T=350 K時的考慮自加熱時模擬數(shù)據(jù)，界面熱阻為min;黑色正方形線也為外界環(huán)境T=300 K時的考慮自加熱時模擬數(shù)據(jù)，但是模擬時將襯底的傳熱系數(shù)這個參數(shù)增大，增大為界面熱阻為max．

圖5 AlGaN/InGaN/GaN結(jié)構HEMT器件的轉(zhuǎn)移特性曲線(Id-Vg)，其中，漏電壓Vd=10 V

在圖5中，通過比較(1)和(2)兩種情況下的轉(zhuǎn)移特性曲線，可以看出當外界環(huán)境的溫度升高，轉(zhuǎn)移特性曲線的跨導減小，器件的性能降低．同理，比較(2)和(3)的兩種情況，可以看出當界面熱阻增加時，漏極電流降低非常明顯，器件的跨導也降低，閾值電壓增大．圖6為不同情況下的跨導隨漏極電壓的變化圖．隨著器件工作環(huán)境溫度的增加，跨導降低，同時隨著界面熱阻的上升，器件的跨導也降低．這說明穩(wěn)態(tài)下兩者的效果是等效的．

圖7顯示在相同柵極偏壓下，T=350 K時的漏電流小于T=300 K時的漏電流，但是隨著柵極電壓的減小，漏電流的差距減小，當Vgs=－3 V時T= 350 K時的漏電流甚至大于T=300 K時的漏電流．而且當柵極電壓下降時，負微分電導發(fā)生時的漏極電壓下降．由圖7還可以看出，Vd在1—4 V時，出現(xiàn)了不同程度的負微分電導，而且T=350 K時的負微分電導小于T=300 K時的負微分電導．圖2也顯示出這個現(xiàn)象，界面熱阻大時顯示的負微分電導小于界面熱阻比較小時的負微分電導．圖2和圖6都顯示出，當柵極電壓比較小時的負微分電導大于柵極電壓比較大時的負微分電導．

由圖2和圖7可知，出現(xiàn)負微分電導的Vd值在1—4 V之間，并且相同柵極電壓下的Vd臨界值基本是相同的，在這之間存在兩個過程:1)隨著漏極電壓的增大，溝道電場強度增加，漏極電流增大;2)同時電子慢慢變熱，漸漸成為“熱電子”，電子跨越能極差被陷阱俘獲成為俘獲電子的概率增大，這使溝道電流減?。@兩個過程處于競爭的關系．在漏極電壓比較小，漏極電流還在上升的過程中，熱電子還在慢慢形成和增加，1)過程大于2)過程．當漏極電壓比較大時，電子速度趨于飽和，1)過程導致的電流增大的過程減弱，2)過程中熱電子獲得更多能量導致電流增加，這時1)過程小于2)過程，造成電流出現(xiàn)嚴重的負微分電導現(xiàn)象．

對比T=350 K與T=300 K的輸出特性曲線發(fā)現(xiàn)，1)過程兩者基本相同，但是2)過程有差別．低漏極偏壓下，T=350 K時電子更容易獲得能量，成為熱電子，在漏極壓上升的過程中就有更多熱電子被陷阱俘獲，所以在下降時就沒有T=300 K時那么多熱電子被陷阱俘獲，下降也就沒有那么明顯．同理低漏極偏壓下界面熱阻max比界面熱阻min更容易升溫，即電子容易獲得能量，成為熱電子．從而出現(xiàn)了界面熱阻大時顯示的負微分電導小于界面熱阻比較小時的負微分電導這個現(xiàn)象．但是柵極電壓不同，其他情況相同時，最終的飽和電流不同，即1)過程不同．柵極電壓減小，最終的飽和電流也減小，在較低漏極電壓時漏極電流就已經(jīng)達到飽和．主要是因為電子濃度相對較小，平均自由程較長，電子容易獲得較大的動能．在較大漏極電壓下，溝道熱電子被俘獲地少，負微分電導較小．而在較低漏極電壓下，負微分電導就更嚴重．同時當漏極電壓非常大(大于10 V時)，1)過程導致的電流增加過程早已達到飽和．但是由于自加熱效應，器件局域溫度很高，2)過程中更多的電子獲得能量，越過能級差被俘獲，導致電流降低，這將進一步加重電流坍塌效應．

綜上所述，在低漏極電壓下，隨著漏極電壓的增加，漏極電壓使漏極電流增加與熱電子使漏極電流減小的過程處于競爭的關系．熱電子是低漏極偏壓下負微分電導產(chǎn)生的主要因素．自加熱是高漏極電壓下電流坍塌效應產(chǎn)生的主要因素．

由圖8可以看到，當器件工作溫度不同時，熱交換導致的晶格的溫度不一樣，外界溫度越高，器件晶格溫度越高．為了更好地分析AlGaN/In GaN/GaN結(jié)構HEMT器件的自加熱效應，假設了一個簡單的基于熱耗散和熱傳導的解析模型［23—26］，定性地描述漏極電流的變化．漏極電流隨電場變化關系如下:

其中e是電子電荷，μe是電子遷移率，n是溝道面電子濃度，W是器件寬度，E是溝道平均電場，θ是器件熱阻，Pdis是電子耗散焦耳功率．

由圖7可看出到漏極電壓大于4 V時，漏極電流已經(jīng)飽和，所以當Vd≥4 V時功率P=UI呈線性增長;由圖8可以看出Vd≥4 V時最大晶格溫度也呈線性增長．這時由(4)式可求出器件熱阻θ．

表2為T=300 K和T=350 K時不同柵壓下的電壓值、電流值和最大晶格溫度．用公式計算出相對應的熱阻θ．從表中可以看出HEMT器件的熱阻在6—10 K/W之間，隨著柵壓的減小，熱阻增大．為了進一步分析熱阻與柵極電壓之間的關系，下面給出了熱阻對柵極電壓的變化圖，如圖9所示．系，由知道1)柵極固定時，漏極電流飽和后，隨著漏極電壓的增加，漏極電流不變，ΔT線性增加，所以θ為一恒值．2)柵極電壓變化，其他不變時，漏極電流飽和后，漏極電流隨著柵極電壓線性減大，所以θ隨著柵極電壓線性減?。朔治雠c上圖所顯示的線性關系一致．

從圖9中可以看出熱阻與柵極電壓呈線性關

圖9 熱阻對柵極電壓的變化圖

4.結(jié)論

通過研究器件不同界面熱阻時的轉(zhuǎn)移特性曲線、輸出特性曲線和晶格溫度隨漏極電壓的變化，發(fā)現(xiàn)隨著界面熱阻的增加，器件跨導降低，閾值電壓增大，電流坍塌效應變得嚴重．比較不同界面熱阻和不同工作環(huán)境溫度時輸出特性曲線，發(fā)現(xiàn)Vd在1—4 V時，出現(xiàn)了不同程度的負微分電導，而且T=3 5 0 K時的負微分電導小于T= 300 K時的負微分電導，界面熱阻大時顯示的負微分電導小于界面熱阻比較小時的負微分電導，柵極電壓比較小時的負微分電導大于柵極電壓比較大時的負微分電導．在低漏極電壓下，隨著漏極電壓的增加，漏極電壓使漏極電流增加與熱電子使漏極電流減小的過程處于競爭的關系．熱電子是低漏極偏壓下負微分電導產(chǎn)生的主導因素，而自加熱是高漏極電壓下電流坍塌效應產(chǎn)生的主導因素．

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Current collapse effect，interfacialthermal resistance and work temperature for AlGaN/GaN HEMTs

Gu Jiang1)Wang Qiang2)Lu Hong1)
1)(Department of Physics and Electronic，Changshu Institute of Technology，Changshu 215500，China)
2)(School of Electronics and Information，Nantong University，Nantong 226019，China)
(Received 7 October 2010;revised manuscript received 22 October 2010)

The effects of operating temperature and the interfacial thermal resistance on device are researched by using a twodimensional numerical simulator．A comparison between the simulated results and the experiment data demonstrates that hot electrons make a significant contribution to the negative differential output conductance which will increase with the increase of the work temperature under low drain voltage，and under upper drain voltage，the self-heating effect is an important factor to the current collapse which will become more serious with the work temperature and interfacial thermal resistance inereasing．

AlGaN/GaN HEMT devices，hot electron effect，self-heating effect，current collapse effect

．gujiang_cit@yahoo．cn

通訊聯(lián)系人．wang_q@ntu．edu．cn

PACS:71．55．Eq，73．40．Lq，73．61．－r

Corresponding author．Email:gujiang_cit@yahoo．cn

Corresponding author．Email:wang_q@ntu．edu．cn