AlGaN/GaN HEMT物理模型与器件耐压研究

摘要

基于第三代宽禁带半导体GaN材料的A1GaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）由于其广阔的高频大功率应用前景而成为研究热点。针对当前实现高频、大功率A1GaN/GaN HEMT所面临的物理模型、电场理论及器件制备等相关科学技术问题，本文从器件物理角度出发，研究了A1GaN/GaNHEMT电荷控制模型和电流崩塌效应，探讨了器件耐压特性与提高耐压的场板技术。
　　 ⑴通过近似简化非线性费米能级与二维电子气（2DEG）密度函数，然后取其在某点泰勒展开式前两项作为线性近似，建立了线性化费米能级与二维电子气密度关系解析模型。该模型大大增强了非线性费米能级与2DEG密度关系线性近似的精度和应用灵活性。基于势垒层耗尽近似、金属-绝缘体-半导体（MIS）理论和含极化泊松方程，考虑了insulator/A1GaN界面陷阱或离子电荷对阈值电压的影响，应用所建立模型线性化费米能级与2DEG密度关系，建立了适用于增强型且兼容耗尽型A1GaN/GaN MISHEMT的线性电荷控制解析模型。进一步通过综合考虑A1GaN势垒层电荷和异质结界面极化电荷，详细分析MISHEMT整个电荷控制过程，将其分为全耗尽Ⅰ区、部分耗尽Ⅱ区、中性Ⅲ区和电子insulator/A1GaN界面积累Ⅳ区，导出了各区相应的电荷控制关系，从而建立了适用于A1GaN/GaN MISHEMT全部栅工作电压的全域电荷控制解析模型。研究分析结果表明，2DEG在Ⅱ区达到饱和，为确保栅对沟道的控制，栅工作电压不应超过2DEG饱和电压；Ⅱ区栅压跨度约占2DEG饱和之前栅压范围的50％。上述三个模型在各自适用范围内均与实验结果符合良好。
　　 ⑵实验研究了A1GaN/GaN HEMT栅阶跃脉冲响应，提出用快电子与慢电子释放两种过程来解释表面态电子弛豫，建立了漏极电流响应过程拟合算式，得到与快、慢电子释放相关的时间常数分别为t1=0.23s、t2=1.38s。MISHEMT insulator/A1GaN界面陷阱电荷提取研究表明，各种insulator/A1GaN界面陷阱密度大小可以近似排序为：NTS（A12O3）>NTS（Si3N4）≈NTS（SiO2）。
　　 ⑶实验研究A1GaN/GaN HEMT耐压特性表明，两端击穿与三端击穿测试是等效的；栅长对器件耐压影响较小；栅极与漏极（源极）距离为2μm时，击穿电压为60～70V，随距离增大近似以54V/μm线性提高。
　　 ⑷研究了场板对沟道电场分布的调制，并对长栅漏距源场板，短栅漏距（）栅场板、Z型源场板及Γ+Z混合结构场板进行了仿真优化，确定了击穿电压、频率特性与场板结构参数的关系。在栅漏距为2.2μm时，单一场板可使击穿电压达到400V，而（）+Z混合结构可提高击穿电压到600V。（）栅场板的频率特性受场板长度、绝缘层厚度影响较大，而Z型源场板频率特性受到的影响较小，甚至受长度的影响可以忽略。
　　 ⑸基于实验研究结果和物理模型的优化设计，试制了SiC衬底0.4μm栅长，栅宽分别为3mm、1mm和100μm的A1GaN/GaN HEMT。获得最大输出功率密度为100μm栅宽器件，其在Vos=28V，8GHz连续波条件下最大功率密度为5.62W/mm，效率30.8％，增益7.49dB；获得最大总输出功率为1mm栅宽器件，其在VDS=25V，8GHz连续波条件下最大输出功率为3.05W，效率23.2％，增益5.85dB。100μm栅宽器件在VDS=16V时，获得的最大fr与fmax别为39.4GHz和112GHz。