使用Nuwa TCAD软件仿真槽栅型 GaN HEMT 器件

GMPT, 2024/03/03

注：本文和相关案例为上海芯钬量子科技有限公司与甬江实验室精准光子集成研究中心施跃春教授团队联合开发。

一、器件结构

图1 Recessed_Gate_GaN_HEMT 器件结构

在本项工作中，蓝宝石(Sapphire)衬底的槽栅结构GaN HEMT器件结构如图1所示。蓝宝石(Sapphire)衬底的厚度为10μm，宽度为5.5μm；AlGaN成核层(nucleation layer)厚度为0.25μm，其中Al组分为1；AlGaN缓冲层(buffer layer)厚度为2.65μm，其中Al组分为0；AlGaN沟道层(channel layer)厚度为25nm，其中Al组分为0；AlGaN势垒层(barrier layer)厚度为25nm，其中Al组分为0.26；SiN隔离层(spacer) 厚度为25nm；金属Au厚度为35nm，对势垒层的刻蚀深度为10 nm。漏极和源极位于器件左右两端宽度为1μm，栅极位于Au上方宽度为0.5μm，三者均为欧姆接触。

二、物理模型设置

2.1 有源区载流子输运模型

$$\begin{array}{c}{\displaystyle R_{qw}=\frac{n-n_0}{\tau };\frac{1}{\tau }=\frac{1}{{\tau }_{300}}{e}^{(-\frac{T-300}{{\tau }_0})}}\\ {\displaystyle \frac{d{n}_t}{dt}=-\frac{n_t}{{\tau }_{\text{interb }}}+J_{\text{in }}+J_{out}-J_{fesc}}\\ {\displaystyle J_{fesc}=\frac{F_{\text{esc }}{n}_t{V}_{\text{fesc }}}{d};{\tau }_{\text{fesc }}=\frac{d}{V_{fesc}{F}_{\text{esc }}}}\end{array}\backslash begin\{gathered\}\; R\_\{q\; w\}=\backslash frac\{n-n\_0\}\{\backslash tau\}\; ;\; \backslash frac\{1\}\{\backslash tau\}=\backslash frac\{1\}\{\backslash tau\_\{300\}\}\; e^\{\backslash left(-\backslash frac\{T-300\}\{\backslash tau\_0\}\backslash right)\}\; \backslash \backslash \; \backslash frac\{d\; n\_t\}\{d\; t\}=-\backslash frac\{n\_t\}\{\backslash tau\_\{\backslash text\; \{interb\; \}\}\}+J\_\{\backslash text\; \{in\; \}\}+J\_\{o\; u\; t\}-J\_\{f\; e\; s\; c\}\; \backslash \backslash \; J\_\{f\; e\; s\; c\}=\backslash frac\{F\_\{\backslash text\; \{esc\; \}\}\; n\_t\; V\_\{\backslash text\; \{fesc\; \}\}\}\{d\}\; ;\; \backslash quad\; \backslash tau\_\{\backslash text\; \{fesc\; \}\}=\backslash frac\{d\}\{V\_\{f\; e\; s\; c\}\; F\_\{\backslash text\; \{esc\; \}\}\}\; \backslash end\{gathered\}$$

2.2 连续性方程

2.3 泊松方程 $$\begin{array}{c}{\displaystyle -\mathrm{\nabla }\cdot \left(\frac{{ϵ}_0{ϵ}_{dc}}{q}\mathrm{\nabla }V\right)=-n+p+N_D(1-f_D)-N_A{f}_A+\sum _j{N}_{tj}({\delta }_j-f_{tj})}\end{array}\backslash begin\{aligned\}\; -\backslash nabla\; \backslash cdot\backslash left(\backslash frac\{\backslash epsilon\_0\; \backslash epsilon\_\{d\; c\}\}\{q\}\; \backslash nabla\; V\backslash right)=-n+p+N\_D\backslash left(1-f\_D\backslash right)-N\_A\; f\_A+\backslash sum\_j\; N\_\{t\; j\}\backslash left(\backslash delta\_j-f\_\{t\; j\}\backslash right)\; \backslash end\{aligned\}$$

2.4 低场和高场迁移率模型

  低场迁移率模型 (Masetti Model)

$$\begin{array}{c}{\displaystyle {\mu }_0={\mu }_{\min 1}{e}^{-\frac{P_c}{N_i}}+\frac{{\mu }_{\max }{\left(\frac{T_L}{T_0}\right)}^{-\zeta }-{\mu }_{\min 2}}{1+{\left(\frac{N_i}{C_r}\right)}^{\alpha }}-\frac{{\mu }_1}{1+{\left(\frac{C_s}{N_i}\right)}^{\beta }}}\end{array}\backslash begin\{aligned\}\; \backslash mu\_0=\backslash mu\_\{\backslash min\; 1\}\; e^\{-\backslash frac\{P\_c\}\{N\_i\}\}+\backslash frac\{\backslash mu\_\{\backslash max\; \}\backslash left(\backslash frac\{T\_L\}\{T\_0\}\backslash right)^\{-\backslash zeta\}-\backslash mu\_\{\backslash min\; 2\}\}\{1+\backslash left(\backslash frac\{N\_i\}\{C\_r\}\backslash right)^\backslash alpha\}-\backslash frac\{\backslash mu\_1\}\{1+\backslash left(\backslash frac\{C\_s\}\{N\_i\}\backslash right)^\backslash beta\}\; \backslash end\{aligned\}$$

  高场迁移率模型 (Canali Model)

$$\begin{array}{c}{\displaystyle {\mu }_n=\frac{{\mu }_{0n}}{{(1+{\left({\mu }_{0n}F\mathrm{/}{v}_{sn}\right)}^{{\beta }_n})}^{1\mathrm{/}{\beta }_n}}}\\ {\displaystyle {\mu }_p=\frac{{\mu }_{0p}}{{(1+{\left({\mu }_{0p}F\mathrm{/}{v}_{sp}\right)}^{{\beta }_p})}^{1\mathrm{/}{\beta }_p}}}\end{array}\backslash begin\{aligned\}\; \backslash mu\_n=\backslash frac\{\backslash mu\_\{0\; n\}\}\{\backslash left(1+\backslash left(\backslash mu\_\{0\; n\}\; F\; /\; v\_\{s\; n\}\backslash right)^\{\backslash beta\_n\}\backslash right)^\{1\; /\; \backslash beta\_n\}\}\; \backslash \backslash \; \backslash mu\_p=\backslash frac\{\backslash mu\_\{0\; p\}\}\{\backslash left(1+\backslash left(\backslash mu\_\{0\; p\}\; F\; /\; v\_\{s\; p\}\backslash right)^\{\backslash beta\_p\}\backslash right)^\{1\; /\; \backslash beta\_p\}\}\; \backslash end\{aligned\}$$

2.5 陷阱模型 (Trap Model)

2.6 极化模型 (Polarization Model)

2.7 热电子发射模型

2.8 界面效应缺陷模型

三、工作原理及结果讨论

3.1 异质结极化

图2 (a) AlGaN/GaN异质结 (b) 二维电子气分布

GaN层外延生长AlGaN层后，AlGaN/GaN异质结中的极化方向如图2(a)所示。在AlGaN层中存在自上而下的自发极化P_SP和压电极化P_PE，产生了固定极化正电荷，在 GaN层中存在自上而下的自发极化P’_SP， 产生了固定极化负电荷。GaN 层因厚度超过材料的应变临界厚度出现弛豫现象，压应力被释放，未出现压电极化。因此，在AlGaN/GaN异质结界面产生了极化差，导致在AlGaN下界面留下了固定极化正电荷。氮化物半导体最显著的特征是能在异质结界面感应出等量的自由载流子以中和固定的极化电荷，因此在GaN的上界面会聚集大量的电子，即二维电子气 (2DEG)，如图2(b)所示。

3.2 能带

图3 (a) AlGaN HEMT能带分布 (b) AlGaN/Au接触面能带分布

在AlGaN/GaN 异质结中，由于AlGaN材料的禁带宽度大于GaN材料，两者接触时，费米能级趋于一致，能带发生弯曲，在异质结界面形成空间电荷区，材料之间的禁带宽度差别越大，内建电场越强，三角势阱越深，2DEG的浓度越高。极化效应在异质结中形成一个新的电场，新电场方向与内建电场方向相同，在电场的作用下异质界面GaN侧的量子阱变得又深又窄，电子被限制在势阱中。而在金属Au与半导体AlGaN接触层，Au的功函数小于AlGaN的功函数，金属中的自由电子流向半导体，平衡时在半导体表面形成一个电子堆积层，产生一个由半导体表面指向半导体体内的电场，半导体表面能带向下弯曲，形成半导体中多数载流子电子的反阻挡层即欧姆接触[1]。

3.3 开关特性

图4 转移特性曲线

HEMT作为场效应晶体管中的一种，其工作原理同样是通过向栅极施加偏压形成电场来控制沟道的电流。对应于耗尽型 HEMT 就是控制沟道中二维电子气的浓度，施加负偏压就是消耗二维电子气浓度直到沟道关闭，施加正偏压就是增加二维电子气浓度直到达到饱和，如图4(a)所示。未加栅压时2DEG沟道已经开启，如图4(b)所示。随着栅极电压的升高，二维电子气中的电子浓度增加，漏极电流随之增大。当栅极电压超过一定值时，HEMT从线性区进入饱和区，漏极电流不再随着栅极电压的增加而显著增加。当栅极电压减小到负值，二维电子气浓度逐渐降低，如图4(c)所示。最终栅极电压低于阈值电压时，如图4(d)所示，2DEG被完全抑制，漏极电流几乎为零。

3.4 输出特性影响因素

金属功函数

图5 转移特性曲线

在金属Au与半导体AlGaN接触层，随着Au的功函数减小更多的电子进入到半导体的界面区域，这会导致在Au/AlGaN接触区域形成更深的二维电子气势阱。相同偏压下，HEMT的输出电流增大，器件更难关断，如图5所示，因此仿真中将Au金属功函数增加至5.4eV。

费米钉扎效应

图6 SiN/AlGaN界面添加陷阱前后电流变化

在HEMF中，栅极下方的SiN/AlGaN界面通过添加陷阱，可以减缓或控制载流子从源极到漏极的流动，增强电流的调节特性。此外，该界面处的陷阱可以诱导费米钉扎效应，能够有效捕获一定比例的载流子以及沟道热电子，从而抑制高偏置下的电流，如图6所示。

缓冲层陷阱

图7 Vd=15V,Vg=-6V时：(a) HEMT电子浓度分布 (b) 缓冲层设置陷阱后电子浓度分布

AlN和AlGaN材料之间的界面通常存在缺陷，如晶格不匹配或表面粗糙度，导致电子从沟道流向栅极或漏极时可能出现意外的电流泄漏，如图7(a)所示。在缓冲层设置陷阱（通常是深能级缺陷或介电界面陷阱）能够捕获沟道区域中自由载流子，如图7(b)所示，从而有效地限制泄漏电流。图8为在Vd=15V,Vg=-6V时，缓冲层设置陷阱前后转移特性曲线图。可以看出，出现电流泄露的情况下，即使在设备不工作时（比如在"关"状态），也会有一部分电流通过，不仅会导致静态功耗的增加，还会使栅极控制能力变差。持续的漏电流还会引起热效应，导致器件退化。而在缓冲层设置陷阱有效减小了泄漏电流，优化了栅极开关特性。

图8 设置陷阱前后转移特性

凹槽栅极特性

图9 不同栅槽深度对阈值电压的影响

AlGaN势垒层中的Al组分一定时，2DEG的浓度随着势垒层厚度的减小而降低，并存在临界厚度，当势垒层厚度小于该临界厚度时，沟道便不会感应出2DEG，处于关断状态。因此，可以通过减薄势垒层的方式使HEMT器件的阈值电压正向漂移，甚至实现增强型，称之为薄势垒技术。相比于薄势垒技术，凹槽栅技术只是将栅极下方的 AlGaN 势垒层减薄，而其余部分仍然保留较厚的势垒层来提供足够高的沟道 2DEG浓度，从而获得更大的饱和电流[2]。另外，该技术还可以通过控制栅槽的深度对器件的阈值电压进行调节。如图9所示，3条曲线从左到右分别对应栅槽深度为0，10nm，20nm时器件的转移特性曲线。由图可知，随着栅槽深度增加，HEMT器件的阈值电压不断右移，甚至大于零，转变为增强型器件。

四、总结

本文对槽栅型 GaN HEMT 器件进行仿真，介绍了仿真中引用的物理模型的公式，并展示了器件的仿真结果，包括能带结构、输出特性、转移特性、关断特性、凹栅特性和费米钉扎特性。通过Nuwa TCAD软件得到的仿真结果，本文进一步分析了器件内部机理，包括能带分布、二维电子气分布、耗尽区扩散和缺陷捕获热电子等，为槽栅型 GaN HEMT 器件结构分析和器件性能提升提供了思路。

参考文献

[1] 崔兴涛，凹槽栅型GaN HEMT器件的研制，电子科技大学硕士论文
[2] 董重园，增强型p-GaN凹槽栅HEMT功率器件特性研究，长春理工大学硕士论文