劉劭璠 張明蘭

摘 要：二維電子氣（2DEG）特性決定了AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管（HEMT）性能。為了提高器件的2DEG密度、遷移率和漏電流，本文采用AlGaN和GaN之間引入一層薄的AlN間隔層的方法。使用Silvaco仿真工具模擬了不同AlN間隔層厚度對(duì)載流子濃度、遷移率和量子阱深度的影響。器件仿真結(jié)果表明：在HEMT器件中插入薄AlN間隔層可以增加載流子濃度和遷移率，并加大了導(dǎo)帶不連續(xù)性。另外，器件的電子遷移率在AlN厚度為0.2nm時(shí)取得最大值，而載流子濃度和漏電流隨AlN層厚度增加而持續(xù)上升。

關(guān)鍵詞：HEMT；間隔層；遷移率；載流子濃度；仿真

中圖分類號(hào)：TN323.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：Two-dimensional electron gas（2DEG） property is crucial for performance of AlGaN/GaN high electron mobility transistor （HEMT）.Introduction of AlN spacer layer in between AlGaN and GaN layer is one of the way to improve 2DEG density，mobility，and drain current. Carrier concentration， mobility and quantum well depth for different AlN spacer thickness was simulated by using Silvaco simulation tool.Our device simulations showed that carrier concentration，mobility are enhanced on introduction of AlN spacer layer in HEMT.In addition，our simulation showed that the mobility of 2DEG attains maximum value at the 0.2nm thick AlN layer but carrier concentration and drain current increase with spacer thickness.

Key words：HEMT；Spacer layer；mobility；carreier concentration；simulation

EEACC：2560

1 引言

基于GaN的高電子遷移率晶體管（HEMTs）具有寬禁帶（3.4eV）、高擊穿電場(chǎng)（約3V/cm）和很強(qiáng)的自發(fā)極化和壓電極化等優(yōu)點(diǎn)，氮化物材料優(yōu)秀的基礎(chǔ)物理性質(zhì)使它在高頻率、高功率微波應(yīng)用方面引人注目。為了提高高功率開關(guān)器件的性能，獲得低導(dǎo)通電阻，需要提高載流子濃度和遷移率的乘積。而對(duì)于AlGaN/GaN HEMT器件來說，在AlGaN和GaN之間的大導(dǎo)帶不連續(xù)性，包括自發(fā)極化和壓電極化的極化的存在形成一個(gè)三角勢(shì)阱，限制了二維方向上的AlGaN/GaN界面高密度電子（1013cm-2量級(jí)）。

這些年來，為了提高載流子濃度和遷移率的乘積，出現(xiàn)了很多辦法。對(duì)AlGaN勢(shì)壘層進(jìn)行Si摻雜是增加溝道中薄膜電子密度的有效方法。但是許多實(shí)驗(yàn)小組表示由于Si摻雜造成的電荷增加低于總電荷的25%。所以通過對(duì)AlGaN勢(shì)壘層進(jìn)行Si摻雜增加薄膜電子密度中的電勢(shì)是有限的。另一中更有效的增加薄膜電子密度的方法是提高AlGaN勢(shì)壘層中Al的含量，勢(shì)壘中的Al含量越高，自發(fā)極化和壓電極化就越強(qiáng)，于是感應(yīng)得到更高的薄膜電子密度。但是隨著Al摩爾分?jǐn)?shù)的增加，AlGaN層的表面質(zhì)量退化，電子遷移率會(huì)下降，這是由于AlGaN勢(shì)壘層中的合金無序散射的影響。

而Shen等人經(jīng)過努力在AlGaN勢(shì)壘層和GaN緩沖層之間插入一層薄的AlN界面層，來提高HEMT結(jié)構(gòu)的電學(xué)特性。在極化作用下，該插入層能夠提高AlGaN勢(shì)壘層和GaN溝道層的有效導(dǎo)帶帶階，一方面能夠形成更深而窄的量子阱，有利于提高溝道電子密度；另一方面還能夠抑制滲入到AlGaN中的二維電子氣所受的合金無序散射，提高溝道電子遷移率。

AlN間隔層的另一個(gè)作用是減少了肖特基柵正向電流，可以使晶體管在更高柵極電壓下工作。使AlGaN/AlN/GaN HEMTs的漏電流高于傳統(tǒng)的AlGaN/GaN HEMTs。此外，AlN層的厚度對(duì)遷移率也很重要。當(dāng)厚度改變，極化場(chǎng)和導(dǎo)帶不連續(xù)性改變，也影響了2DEG相關(guān)的濃度和遷移率。

因此，我們需要去了解在高功率器件中間隔層的臨界厚度，研究更高AlN間隔層厚度使遷移率減小的真實(shí)原因。這方面報(bào)道已經(jīng)有部分報(bào)道，但是關(guān)于AlGaN/AlN/GaN HEMTs器件的仿真研究還很少。

在本文中，通過基于數(shù)值計(jì)算的silvaco軟件來研究不同AlN間隔層厚度對(duì)AlGaN/AlN/GaN HEMT電學(xué)特性的影響。討論了功率器件的間隔層最大臨界厚度。

本文安排如下：

在第二章節(jié)中，我們介紹了用來研究不同AlN間隔層厚度對(duì)AlGaN/AlN/GaN HEMT的影響的器件結(jié)構(gòu)和模擬設(shè)置。在第三章節(jié)，我們報(bào)告了結(jié)果，檢驗(yàn)了由AlN間隔層厚度決定的傳輸特性。在第四章節(jié)，我們描述了結(jié)論。

2 仿真方法

本文研究的物理器件是在不同溫度下使用金屬有機(jī)化學(xué)氣相淀積而成的，襯底為藍(lán)寶石。完成整個(gè)生長(zhǎng)流程需要氨（NH3）、三甲基鎵（TMGa），三甲基鋁（TMAl）作為先導(dǎo)物，氫氣作為運(yùn)載氣體。

首先生長(zhǎng)AlN成核層，再生長(zhǎng)3μm厚非摻雜的GaN緩沖層，然后是各種厚度（0-2nm）的薄AlN間隔層，在頂上生長(zhǎng)25nm厚的非摻雜的AlGaN勢(shì)壘層，Al的摩爾分?jǐn)?shù)在30%。整個(gè)外延層在高溫下生長(zhǎng)。

圖1（a）是無AlN間隔層的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而圖1（b）帶有AlN間隔層，除了AlN間隔層厚度，兩種結(jié)構(gòu)使用相同的器件參數(shù)。在圖1（b）中，AlN間隔層厚從0到2nm變化。因?yàn)樵贏lGaN和GaN之間插入薄AlN間隔層可以加強(qiáng)對(duì)2DEG的限制。所以我們可以估算電子輸運(yùn)特性的變化，間隔層影響了與2DEG濃度和遷移率有關(guān)的輸運(yùn)載流子。

器件性能主要依賴各種類型散射機(jī)制影響的載流子遷移率，如合金無序散射（在低溫和室溫下，三元化合物中的電子散射）、表面粗糙度散射（低溫）等。在這些散射機(jī)制中，當(dāng)載流子濃度很高，處在低溫和室溫時(shí)，合金無序散射是主要限制因素。AlN的二元化合物屬性使合金無序散射相對(duì)降低。而且，AlN提高了量子阱深度和勢(shì)壘，更好的限制了電子溢出溝道。所以，在我們的器件仿真中，電子遷移率模型考慮2個(gè)部分；一個(gè)是影響傳輸特性的低電場(chǎng)遷移率模型，另一個(gè)是氮化物特有的高電場(chǎng)遷移率模型。

這里μ是低電場(chǎng)遷移率，vsat是飽和速度，E是電場(chǎng)，Ec，a，n1，n2是模型參數(shù)。器件的電流特性由求解薛定諤方程和泊松方程的自洽解得到。最后通過silvaco軟件中的Tonyplot輸出結(jié)果。

3 結(jié)果和討論

本章節(jié)中通過仿真軟件的ATLAS器件仿真得到了傳統(tǒng)AlGaN/GaN HEMT器件和AlGaN/AlN/GaN HEMT器件的遷移率和電子濃度。我們比較了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)HEMT和帶有AlN間隔層結(jié)構(gòu)的HEMT的優(yōu)劣。本章節(jié)比較了兩種器件的電學(xué)特性。

圖2表示提出的AlGaN/AlN/GaN HEMT器件和傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)器件的導(dǎo)帶分布圖。AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面之間的薄AlN間隔層產(chǎn)生了更大的有效的導(dǎo)帶不連續(xù)性，這是因?yàn)檩d流子穿過間隔層時(shí)，強(qiáng)壓電和自發(fā)極化場(chǎng)導(dǎo)致電勢(shì)下降。

通過器件仿真的方法分析了AlN間隔層厚度器件量子阱深度的影響，結(jié)果如圖3所繪。當(dāng)間隔層厚度增加時(shí)，導(dǎo)帶不連續(xù)性變大。

圖4表示不同AlN間隔層厚度對(duì)器件的量子阱深度的影響。結(jié)果表明，在AlGaN/AlN/GaN HEMT中，當(dāng)AlN間隔層達(dá)到2nm時(shí)，2DEG深度增加了56%。

相對(duì)禁帶窄的GaN材料和寬禁帶的AlGaN材料的異質(zhì)結(jié)界面產(chǎn)生的2DEG是限制量子阱中電子溢出的重要機(jī)制，它會(huì)產(chǎn)生很高的電子濃度和電子遷移率。據(jù)發(fā)現(xiàn)，在AlN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的帶有AlN的勢(shì)壘層中的強(qiáng)極化場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致2DEG薄膜密度數(shù)值很高。

圖7 表示器件電子遷移率受AlN層厚度變化的影響，厚度從0上升到0.2nm，遷移率隨之增加，這是由于粗糙度散射和合金散射很低。但是薄AlN間隔層處的高載流子濃度導(dǎo)致2DEG分布向界面移動(dòng)。它導(dǎo)致界面粗糙度散射和2DEG中的庫(kù)侖散射增加。結(jié)果，AlN間隔層厚度超過0.2nm，遷移率下降。

圖8表示柵壓為0V時(shí)的漏電流峰值。我們都知道漏電流是結(jié)合了遷移率和電子濃度的結(jié)果。據(jù)報(bào)道，當(dāng)AlN層厚度達(dá)到一定值時(shí)，載流子濃度占主導(dǎo)作用，超過這個(gè)定值后遷移率占主導(dǎo)作用，AlN層厚度超過這個(gè)定值后，峰值電流會(huì)下降。但是由于本文中AlN層厚度變化對(duì)遷移率影響甚微，電子濃度的作用更加明顯，所以峰值電流依然增加。

4 結(jié)論

本文研究了不同AlN間隔層厚度影響的AlGaN/AlN/GaN HEMT的2DEG傳輸特性。插入AlN間隔層使電子濃度大大提高，且依賴于AlN間隔層的厚度。傳輸特性的臨界AlN層厚度為1.2nm。取AlN層厚度為0至2nm，電子濃度保持增長(zhǎng)趨勢(shì)。而當(dāng)厚度達(dá)到1.2nm時(shí)，電子遷移率開始下降，從而在漏電流上表現(xiàn)為：AlN層厚度達(dá)到1.2nm之前，漏電流會(huì)隨著厚度增加，達(dá)到1.2nm后，逐漸下降。因此對(duì)于本器件來說，最優(yōu)AlN間隔層可厚度為1.5nm，適合應(yīng)用于高速、高功率開關(guān)器件。

參考文獻(xiàn)：

[1] Luo W， Wang X， Xiao H， et al. Growth and fabrication of AlGaN/GaN HEMT based on Si （111） substrates by MOCVD [J]. Microelectronics Journal， 2008， 39（9）： 1108-1111.

[2] Kranti A，Haldar S，Gupta R S.An accurate charge control model for spontaneous and piezoelectric polarization dependent two-dimensional electron gas sheet charge density of lattice-

mismatched AlGaN/GaN HEMTs[J]. Solid-State Electronics， 2002， 46（5）： 621-630.

[3] Yu E T， Sullivan G J， Asbeck P M， et al. Measurement of piezoelectrically induced charge in GaN/AlGaN heterostructure field-effect transistors[J]. Applied Physics Letters， 1997， 71（19）： 2794-2796.

[4] Hsu L， Walukiewicz W. Effect of polarization fields on transport properties in AlGaN/GaN heterostructures[J]. Journal of Applied Physics，2001，89（3）：1783-1789.

[5] Wu Y F， Kapolnek D， Ibbetson J P， et al. Very-high power density AlGaN/GaN HEMTs[J]. IEEE Transactions on Electron Devices，2001，48（3）：586-590.

[6] Wu Y F， Keller B P， Fini P， et al. High Al-content AlGaN/GaN MODFETs for ultrahigh performance[J]. IEEE Electron Device Letters，1998，19（2）：50-53.

[7] Xie J， Ni X， Wu M， et al. High electron mobility in nearly lattice-matched Al In N/Al N/Ga N heterostructure field effect transistors[J].Applied Physics Letters，2007，91（13）：132116.

[8] Miyoshi M， Egawa T， Ishikawa H， et al. Nanostructural characterization and two-dimensional electron-gas properties in high-mobility Al Ga N/Al N/Ga N heterostructures grown on epitaxial AlN/sapphire templates[J]. Journal of applied physics， 2005， 98（6）： 063713.

[9] Ambacher O， Smart J， Shealy J R， et al. Two-dimensional electron gases induced by spontaneous and piezoelectric polarization charges in N-and Ga-face AlGaN/GaN heterostructures[J]. Journal of applied physics， 1999， 85（6）： 3222-3233.

[10] Lenka T R， Panda A K. Characteristics study of 2DEG transport properties of AlGaN/GaN and AlGaAs/GaAs-based HEMT[J].Semiconductors，2011，45（5）：650-656.

[11] 郝 躍，張金風(fēng)，張進(jìn)成.氮化物寬禁帶半導(dǎo)體材料與電子器件[M].北京：科學(xué)出版社，2013.1.

基金項(xiàng)目：河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（F2014202046）