GaN HEMT微波功率器件的熱電子效應及結構優化

陸志航，葛明昌，周國友

合肥工業大學，安徽合肥，230000

0 引言

近年來，隨著半導體技術的發展，無線通信行業也迎來了巨大的變革，無線通信模塊、衛星通信、雷達以及電子對抗等都離不開射頻前端組件。對于整個射頻前端組件，射頻功率放大器是其中最重要的電路，直接影響著整個射頻前端系統的飽和輸出功率、帶寬和功耗等重要射頻性能指標。GaN HEMT微波功率器件優越的電學和熱學性能使其在高頻射頻功率放大器領域有所發展，帶來了高功率和寬頻帶射頻功率放大器能力的突破。GaN材料由于其高電子遷移率、寬禁帶、高電子飽和度、高擊穿電壓以及高熱導率等優良的物理特性[1]，極大地彌補了之前兩代Si、GaAs半導體器件在高溫、高功率和高頻等方面的不足。GaN HEMT器件作為GaN材料的重要應用，已經在航空航天和5G移動通信基站[2]等方面扮演著極其重要的角色，為下一代高頻通信網絡帶來了更高的功率輸出、更理想的線性度和更低的功耗等性能條件[3]。

然而由于GaN材料的獨特性，GaN HEMT微波功率器件的可靠性問題仍然是人們重點關注和積極研究的對象，特別是半導體器件在高溫和高功率的運行條件下，熱電子效應導致器件性能退化已經成為應用中的關鍵影響因素。

1 熱電子效應

AlGaN/GaN HEMT的器件結構類似于MOSFET，兩者都是通過對器件施加柵極偏壓來控制器件溝道導通電阻的方式即溝道的導通與關斷，實現對三端器件（如HEMT等）的控制。但AlGaN/GaN HEMT器件可以在不摻雜的情況下產生高電子遷移率的二維電子氣，其主要原理是在AlGaN/GaN異質結界面處，由于壓電極化效應和自發極化效應的綜合極化效應形成較強的內建電場，如圖1所示，會影響AlGaN/GaN異質結材料的能帶結構，造成的能帶差ΔEc會使得異質結界面的GaN一側形成又深又窄的量子阱，可吸引大量材料中的自由電子集聚在量子阱中，從而產生高濃度的2DEG。

因此在熱電子效應中，GaN HEMT在一定的直流電應力下，器件溝道中的電子會在電場的作用下吸收能量，當吸收的能量較多時，電子的散射作用會將多余的能量傳遞給不同晶格以及其他電子，從而達到一種平衡狀態。如圖1所示，電子在溝道強橫向電場作用下，電子加速使其獲得了極大的動能，此時電子獲得的能量大于電子釋放傳遞的能量，稱之為高能熱電子。這些高能熱電子由于其能量較大，會脫離異質結界面GaN一側的量子阱的束縛，開始在垂直方向運動，從而躍出AlGaN/GaN量子阱勢壘，向其他如緩沖層和介質層等材料層中的陷阱填充，還會與材料晶格碰撞并且在半導體材料中形成新的陷阱，從而導致HEMT器件的電學性能產生退化[4]，如漏源飽和電流降低、閾值電壓正向漂移和跨導降低等。所以在器件可靠性問題中，熱電子效應已經成了半導體科研領域的主要研究對象。

圖1 AlGaN/GaN HEMT能帶與熱電子效應示意圖

2 熱電子應力退化研究

本文研究的AlGaN/GaN HEMT微波功率器件從下至上分別有五層結構，器件的縱向結構參數包括：第一層是厚度為19μm的6H-SiC襯底；第二層是在6H-SiC襯底層上外延生長的一層厚度為1μm的GaN緩沖層；第三層是厚度為0.025μm的AlGaN勢壘層，其中Al組分為28%；第四層是將金屬材料電極制作在外延層中；第五層是厚度為0.5μm的Si3N4鈍化層。器件的橫向結構參數包括：柵極長度LG為0.25μm；柵極和源極的距離LGS為0.8μm；柵極和漏極的距離LGD為3μm。

在熱電子應力研究之前，在TCAD中設置陷阱位置、陷阱類型、陷阱濃度以及陷阱能級，并且需要定義電子俘獲截面，以達到仿真期間中陷阱由熱電子填充的目的，從而導致器件電學特性的變化。本文在AlGaN勢壘層、GaN緩沖層以及AlGaN勢壘層表面添加陷阱，陷阱類型均設置為受主陷阱，陷阱濃度大小均選擇為5×1011cm-2[5]，陷阱能級均選擇為深能級0.6eV[6]。選擇半開態應力進行器件熱電子應力前后對器件輸出特性的研究，應力條件為：柵源電壓VGS為-1.52V，即此時器件溝道處于半開啟狀態，漏源電壓VDS為從0V掃描到30V，應力時長分別為1s、10s、100s、1000s、10000s。

如圖2所示，為器件在施加熱電子應力前后，器件輸出特性隨應力時間發生的變化。圖中熱電子應力時長1s、10s、100s、1000s和10000s，對應半開狀態下的AlGaN/GaN HEMT器件漏源飽和電流IDS（sat）分別為318.82mA/mm、255.73mA/mm、170.83mA/mm、123.17mA/mm和107.21mA/mm，相對于器件熱電子應力前的漏源飽和電流（350.43mA/mm）分別退化了9.1%、27.0%、51.2%、64.8%和69.4%，即熱電子應力時間從1s增加到10000s，器件飽和輸出電流的退化量也隨著應力時間變大，并在長時間應力下輸出特性退化速度趨于平緩[7]。

圖2 熱電子應力前后器件的輸出特性和轉移特性

下面對器件熱電子應力下的轉移特性退化情況進行研究，應力條件為：柵源電壓VGS從-4V掃描到0V，漏源電壓VDS為28V，應力時長分別為1s、10s、100s、1000s、10000s。如圖2所示，器件在施加熱電子應力前后，轉移特性隨應力時間發生了較大的變化。熱電子應力時長1s、10s、100s、1000s和10000s，對應的AlGaN/GaN HEMT器件的閾值電壓Vth大小分別為-3.01V、-2.76V、-2.49V、-2.27V和-2.18V。相對于器件熱電子應力前的閾值電壓Vth（-3.08V）分別退化了2.3%、10.4%、19.1%、26.3%和29.2%。對比器件熱電子應力前的閾值電壓，可以觀察到HEMT器件在熱電子應力后，Vth顯著發生正向漂移[8]，并在長時間應力下閾值電壓正向漂移現象趨于穩定，這是由于隨著熱電子應力時間增加，高能熱電子脫離器件異質結界面的量子阱并被材料的受主類型陷阱俘獲，填充的半導體材料的受主類型陷阱達到平衡狀態，從而離化的受主類型陷阱對溝道二維電子氣耗盡引起的電學特性退化也達到了平衡狀態。

3 源場板結構AlGaN/GaN HEMT器件研究

本節針對熱電子效應引起AlGaN/GaN HEMT器件電學性能退化的結果，提出一種AlGaN/GaN HEMT器件源場板結構，對加入場板結構后的器件進行TCAD電學仿真，研究場板結構對器件熱電子效應的影響，并提出優化器件結構的方案，從而有效抑制熱電子效應引起的器件電學特性的退化行為。

在源場板結構中，場板與源極金屬材料相連接并延伸到HEMT器件柵極與漏極之間上方區域，通過場板在靠近漏極金屬一側創造一個電場峰來調制柵極與漏極之間的電場，極大降低柵極邊緣電場峰值，并且擴展整個器件的電場分布和使電場平滑化，從而降低器件溝道中因橫向高場應力加速獲得極大能量的熱電子數量，抑制器件的高能熱電子填充半導體材料中陷阱的現象，減小器件如輸出電流降低和閾值電壓正向漂移降低的退化量，優化器件性能[9]。

3.1 源場板結構AlGaN/GaN HEMT器件參數優化

如圖3所示，源場板下端到AlGaN勢壘層表面的距離HFP為50nm、100nm、150nm和200nm對應的器件柵極下方溝道沿X軸方向的電場峰值分別為8.37×105V/cm、9.59×105V/cm、10.98×106V/cm和12.03×106V/cm，相比于無場板結構器件溝道電場峰值（1.44×106V/cm）均有所降低[10]。其中源場板距離勢壘層表面為200nm的器件，由于場板靠近漏極邊緣的電場峰值離AlGaN勢壘層表面的距離較大，因此無法對AlGaN/GaN HEMT器件的溝道電場起到較大的調制作用。場板距離勢壘層為150nm的器件溝道在靠近場板邊緣處有較小的電場，因此，為了使源場板達到調節電場分布并降低柵極下方溝道電場峰值的效果，HFP需要取較小的值，即源場板下端到AlGaN勢壘層表面的距離較小。

圖3 不同源場板高度與長度器件溝道電場分布情況

源場板長度LFP為1.2μm、1.6μm、2.0μm和2.4μm，對應的器件柵極下方溝道沿X軸方向的電場峰值大小分別為8.50×105V/cm、9.21×105V/cm、9.32×105V/cm和8.43×105V/cm，相比于無場板結構器件溝道的電場峰值均有所降低。當AlGaN/GaN HEMT源場板長度LFP為1.2μm時，由于場板靠漏極一側邊緣的電場峰值接近器件柵極邊緣的電場峰值，因此對溝道的電場范圍調制不均勻。源場板長度LFP為2μm時，源場板對溝道電場峰值的調制效果較好，此時源場板下方的電場峰值最低，并且溝道沿X軸方向的電場分布較為均勻。

3.2 源場板結構器件熱電子應力退化研究

本小節將針對源場板結構AlGaN/GaN HEMT器件通過仿真研究在熱電子應力下器件的電學性能退化行為，并與前文無場板結構器件的仿真結果相比較。在TCAD中所使用的AlGaN/GaN HEMT微波功率器件基本結構與前文所使用的器件結構完全一致，并且綜合前文不同源場板結構器件對柵極下溝道電場峰值的調制優化效果，如圖4所示，在原本的HEMT器件中增加長度LFP為2μm和源場板下端到AlGaN勢壘層表面的距離HFP為50nm的源場板結構，熱電子應力與前文一致。

圖4 源場板AlGaN/GaN HEMT器件結構

如圖5所示為源場板結構器件在半開狀態下熱電子應力10s內的輸出特性和轉移特性。其中漏源飽和電流IDS（sat）為274mA/mm，與前文相同熱電子應力條件下的無場板結構HEMT器件相比，源飽和電流退化量從27.0%下降到了20.9%。同樣的熱電子應力下，閾值電壓Vth發生了正向漂移現象，Vth的大小為-2.83V，與無場板結構AlGaN/GaN HEMT器件相比，閾值電壓的正漂現象從10.4%優化到了6.9%。

圖5 熱電子應力前后源場板結構器件的輸出特性和轉移特性

4 結語

本文針對AlGaN/GaN HEMT微波功率器件的熱電子效應進行了研究，并提出了一種HEMT器件源場板結構，能夠抑制熱電子效應，從而優化器件性能。相信隨著AlGaN/GaN HEMT微波功率器件熱電子效應的深入探究與優化，未來HEMT器件將在航空航天和5G移動通信基站等多領域扮演著更加重要的角色，為國家科技戰略以及國防事業做出卓越的貢獻。