董果香，李建清

(電子科技大學(xué)物理電子學(xué)院，成都610054)

GaN 半導(dǎo)體材料作為新型寬禁帶材料，在光電領(lǐng)域和高功率高頻電子器件方面有很大的應(yīng)用［1］。在現(xiàn)有的工藝條件下，GaN 單晶尺寸很難生長(zhǎng)較大，GaN 器件多以藍(lán)寶石或SiC 為襯底［2］。GaN 與藍(lán)寶石之間晶格失配達(dá)到15%，并且藍(lán)寶石是絕緣材料，本身不導(dǎo)電，導(dǎo)熱性差且與GaN 熱膨脹系數(shù)差異較大。雖然SiC 襯底與GaN 之間晶格失配為3.5%，但SiC 材料加工困難且價(jià)格較為昂貴，這些原因限制了SiC 襯底的應(yīng)用開(kāi)發(fā)。Si 襯底和上面兩種襯底相比，除了晶格失配和熱失配較大外，具有質(zhì)量高、尺寸大、成本低、導(dǎo)電性好等優(yōu)點(diǎn)，并且Si 具有成熟的工藝，采用Si 作為GaN 基器件的襯底，可以將GaN 基器件集成到傳統(tǒng)Si 基器件工藝中，因此Si 被認(rèn)為是較為理想的GaN 襯底材料。隨著在Si襯底生長(zhǎng)GaN 單晶薄膜，GaN 基材料與器件有了較大發(fā)展［3－4］，Si 襯底GaN 基光電器件研制引人注目。

GaN/Si/Si 雙極晶體管的發(fā)射結(jié)為異質(zhì)結(jié)，比同質(zhì)結(jié)具有更高的注入效率，產(chǎn)生了許多優(yōu)良的性能，例如具有更高的載流子調(diào)制能力和更低的導(dǎo)通電阻。在HBT 摻雜分布中，基區(qū)摻雜大于發(fā)射區(qū)摻雜。高的基區(qū)摻雜帶來(lái)了許多優(yōu)點(diǎn)［5－6］。首先，低的基區(qū)電阻提高了截至頻率，改善了電流集中。更高的基區(qū)摻雜也提高了Early(人名)電壓，減小了大電流效應(yīng)。低的發(fā)射區(qū)摻雜也帶來(lái)了諸如禁帶變窄的減小以及Cbe 降低等好處。本文利用Silvaco 軟件對(duì)平面GaN/Si/Si－HBT 特性進(jìn)行了仿真。

1 器件結(jié)構(gòu)及物理模型

器件模擬以器件物理工作機(jī)理和合理高效準(zhǔn)確的數(shù)值算法為基礎(chǔ)，它是研究和預(yù)測(cè)器件性能的重要工具。本文采用Silvaco 軟件，它能夠仿真特定結(jié)構(gòu)和偏壓下半導(dǎo)體器件的物理性能，使用戶(hù)更好的理解器件內(nèi)部工作機(jī)理［7］。

本文所研究的GaN/Si/Si－HBT 結(jié)構(gòu)如圖1 所示，由于GaN 的禁帶寬度比Si 的禁帶寬度大得多，所以可使發(fā)射區(qū)摻雜濃度低于基區(qū)摻雜濃度。發(fā)射區(qū)和基區(qū)都是采用均勻摻雜，發(fā)射區(qū)摻雜為5×1018cm－3，寬度為0.15 μm，基區(qū)摻雜為2×1019cm－3，寬度為0.1 μm，結(jié)深為0.01 μm。集電區(qū)為帶N－外延層的N+襯底，外延層厚度為0.5 μm，摻雜濃度為5×1016cm－3，襯底厚度為0.15 μm，摻雜濃度為2×1019cm－3。此結(jié)構(gòu)是按照Si 襯底GaN 基材料垂直工藝水平所設(shè)計(jì)，使器件的各項(xiàng)性能達(dá)到最佳。

圖1 HBT 器件結(jié)構(gòu)

在模擬之前應(yīng)對(duì)材料進(jìn)行合理的建模，正確的模型是模擬的基礎(chǔ)，包括能帶模型，遷移模型，復(fù)合模型等，其中對(duì)GaN 和Si 的物理模型參數(shù)均來(lái)自最新的文獻(xiàn)和試驗(yàn)結(jié)果。

在Silvaco 軟件中BLAZE［8］模擬器可對(duì)各種特殊器件和材料進(jìn)行模擬，包括HBT，HEMT，LED。對(duì)HBT 模擬時(shí)，必須明確兩種材料導(dǎo)帶和價(jià)帶差異，即ΔEC和ΔEV。如果用戶(hù)不指明，則軟件默認(rèn)為ΔEC=X1－X2和ΔEV=ΔEg－ΔEC。本文模擬選用默認(rèn)值，其中X1是窄禁帶材料電子親和能，X2是寬禁帶材料電子親和能，ΔEg是兩種材料能帶差。

首先考慮不完全電離:

對(duì)于Si 和GaN 材料區(qū)域以上公式中各參數(shù)相同，參數(shù)值如下:GCB= 2，GVB= 4，EDB= 0. 044 eV，EVB=0.045 eV。

GaN 的能帶模型為:

其中，T 是溫度，單位為K，

Si 的能帶模型為:

其中，T 是溫度，單位為K，

GaN 的價(jià)帶和導(dǎo)帶有效狀態(tài)密度NV和NC分別為2.51e19 cm－3和2.24e18 cm－3。Si 價(jià)帶和導(dǎo)帶有效狀態(tài)密度NV和NC分別為1.04e19 cm－3和2.8e19 cm－3。

遷移率模型［9］對(duì)器件的研究十分重要，本文中遷移率模型為Silvaco 中的低電場(chǎng)遷移率模型中的恒遷移率模型和反型層遷移率模型FLDmob 的組合使用。

低電場(chǎng)恒遷移率模型為:

在Si 材料區(qū)中:在室溫下，對(duì)于電子mμn=1 000，tμn=1.5;對(duì)于空穴:mμp=500，tμp=1.5。

在GaN 材料區(qū)中:在室溫下，對(duì)于電子mμn=400，tμn=1.5;對(duì)于空穴:mμp=8，tμp=1.5。

而FLDmob 遷移率模型為:

在Si 材料區(qū)中對(duì)飽和速度VSn和VSp作如下修正，其中飽和速度如下［10］:

其中TNOMN·FLD=TNOMP·FLD=600 K。

以上各參數(shù)都有確定的值，其值請(qǐng)參考Silvaco用戶(hù)手冊(cè)chapter 3 Physics P115。

在GaN 材料區(qū)中直接給出飽和速度vSN=1.91×107cm/s，vSP=1×106cm/s

復(fù)合模型［11］為SRH 模型:

其中Si 的少數(shù)載流子壽命τp0=τn0=1×10－7s 由于GaN 少數(shù)載流子壽命相關(guān)材料未有精確值，所以全部設(shè)為與Si 的少數(shù)載流子壽命相同。其中ETRAP=0 eV。

2 結(jié)果及分析

如圖2 所示，發(fā)射區(qū)是寬禁帶，基區(qū)和集電區(qū)為窄禁帶。發(fā)射結(jié)為異質(zhì)結(jié)，由于價(jià)帶的不連續(xù)性大于導(dǎo)帶的不連續(xù)性，所以基區(qū)空穴注入效率小于發(fā)射區(qū)電子注入效率，HBT 電子注入效率和電流增益大幅提高。其中ΔEC=1.65 eV，ΔEV=1.70 eV。

圖2 HBT 能帶結(jié)構(gòu)圖

圖3 是器件在Vce=3.6 V 時(shí)，器件的Gummel曲線(xiàn)，因?yàn)椴捎昧薌aN/Si 異質(zhì)結(jié)，GaN 的禁帶寬度較大，所以器件導(dǎo)通壓降大約為2.5 V，大于采用Si的同質(zhì)結(jié)的0.7 V。當(dāng)Vbe＞2 V 時(shí)，發(fā)射結(jié)趨于導(dǎo)通，HBT 趨于放大狀態(tài)，Vbe繼續(xù)增大，發(fā)射結(jié)導(dǎo)通，HBT 處于放大狀態(tài)。從圖中還可看出，在Vbe較大變化范圍，電流增益幾乎是一個(gè)常數(shù)。當(dāng)Vbe＞3 V時(shí)，由于大注入造成的基區(qū)變寬和電流集邊，使Ib和Ic趨于飽和。

圖3 當(dāng)Vce=3.6 V 時(shí)HBT 的Gummel 曲線(xiàn)

在仿真輸出特性曲線(xiàn)時(shí)，對(duì)基極采用電流控制，基極電壓大約在1.2 V。當(dāng)集電極電壓從0 V 開(kāi)始增大，由于Vb=1.2 V，所以集電結(jié)導(dǎo)通，發(fā)射結(jié)關(guān)斷，所以集電極上增加的電壓大部分落在在發(fā)射結(jié)上，使發(fā)射結(jié)上電壓上升。當(dāng)Vce=1.8 V 左右，落在發(fā)射結(jié)上的電壓大于發(fā)射結(jié)開(kāi)啟電壓，發(fā)射結(jié)導(dǎo)通。集電極電壓繼續(xù)增大，HBT 先后進(jìn)入飽和區(qū)和發(fā)大區(qū)。所以如圖4 所示觀察到Vce=1.8 V 時(shí)，集電極電流明顯上升，即輸出特性具有一定的開(kāi)啟電壓，較大的開(kāi)啟電壓，增大了器件的功耗，降低了HBT 輸出電壓擺幅。當(dāng)Ib=2×10－4A 時(shí)，Ic大約是0.02 A，增益大約為100 倍。

圖4 共射極輸出特性曲線(xiàn)

從圖5 可以看出器件的擊穿電壓大約為900 V左右，遠(yuǎn)大于Si 晶體管的擊穿電壓，這是由于采用異質(zhì)結(jié)的緣故，可見(jiàn)寬禁帶發(fā)射區(qū)HBT 在功率器件方面用很大應(yīng)用前景。如果采用雙異質(zhì)結(jié)晶體管，即DHBT，在擊穿電壓方面有更進(jìn)一步的提高，但是由于基區(qū)和集電區(qū)導(dǎo)帶不連續(xù)形成的勢(shì)壘，對(duì)基區(qū)電子到集電區(qū)漂移產(chǎn)生較大影響，這個(gè)問(wèn)題需要考慮。

圖5 器件擊穿特性曲線(xiàn)

圖6 是Vce=3.8 V，Vb=3.0 V 下得到的，最大增益為39.3 dB，隨著頻率的上升，增益保持不變，當(dāng)頻率為1 GHz 時(shí)，增益開(kāi)始下降，當(dāng)頻率為80 GHz 時(shí)，增益為0 dB。頻率從0 Hz 到1 GHz，增益一直保持39.3 dB，具有較寬的頻帶寬度。此器件可工作在射頻頻段。

圖6 電流增益隨頻率變化

圖7 表明了器件截止頻率隨工作電流的變化關(guān)系。在集電極電壓恒定時(shí)，ft 最開(kāi)始隨電流Ic增加而上升，達(dá)到極大值后，再隨著Ic的增加而下降。開(kāi)始隨著電流Ic增加ft 上升，這正好符合雙極晶體管截止頻率計(jì)算公式中延遲時(shí)間與電流關(guān)系。當(dāng)電流進(jìn)一步增大到超過(guò)某一臨界值后，大電流下的基區(qū)變寬效應(yīng)使基區(qū)渡越時(shí)間增加，從而導(dǎo)致ft 減小。

圖7 HBT 的截止頻率隨頻率變化

3 結(jié)論

本文用器件模擬軟件Silvaco 模擬了GaN_Si HBT，詳細(xì)列舉了模擬所用的物理模型和參數(shù)，包括能帶模型，遷移率模型，復(fù)合模型等。得出了器件能帶結(jié)構(gòu)，Gummel 曲線(xiàn)，輸出特性曲線(xiàn)，擊穿電壓和截止頻率并對(duì)對(duì)器件的物理機(jī)理作出了解釋和分析。由于目前還沒(méi)有GaN_Si HBT 研究報(bào)道，本文對(duì)其進(jìn)一步理論研究和器件制造具有指導(dǎo)意義，而且對(duì)Si襯底GaN 基器件的發(fā)展具有較大指導(dǎo)意義。

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